JP5215527B2 - Operation method of fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、高温形燃料電池発電システム、特に固体電解質形燃料電池発電システムにおいて運転中の熱バランスの急変による出力の不安定、炭素の析出を防止する運転方法に関するものである。 The present invention relates to an operation method for preventing instability of output and carbon deposition due to a sudden change in heat balance during operation in a high-temperature fuel cell power generation system, particularly in a solid oxide fuel cell power generation system.
高温形燃料電池の代表格である固体電解質形燃料電池(SOFC)は、複数の固体電解質形燃料電池セルからなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収容して構成され、約700〜1000℃の温度で運転される。従来のSOFCでは、例えば改質器内にて炭化水素ガス(CH4等)と水蒸気とを触媒上で反応(水蒸気改質反応)させて発電燃料となる水素含有ガスを製造している。炭化水素ガスの水蒸気改質反応は、500℃〜800℃で進行する吸熱反応であるが、従来は、燃料電池セルにおける発電反応やジュール熱により生じる輻射熱で十分に改質器の熱源を賄うことが可能であったために改質器専用の加熱源を設けないことが一般的であった。これにより高温形燃料電池では高効率発電が可能であった。 A solid oxide fuel cell (SOFC), which is a typical high-temperature fuel cell, is configured by accommodating a fuel cell stack composed of a plurality of solid electrolyte fuel cells in a storage container, and has a temperature of about 700 to 1000 ° C. Operated at temperature. In a conventional SOFC, for example, a hydrogen-containing gas serving as a power generation fuel is produced by reacting a hydrocarbon gas (CH 4 or the like) and steam on a catalyst (steam reforming reaction) in a reformer. The steam reforming reaction of hydrocarbon gas is an endothermic reaction that proceeds at 500 ° C. to 800 ° C., but conventionally, a sufficient heat source for the reformer is provided by power generation reaction in fuel cells and radiant heat generated by Joule heat. Therefore, it is common not to provide a heating source dedicated to the reformer. As a result, high-efficiency power generation was possible with high-temperature fuel cells.
従来の高温形燃料電池は、数百から数千kW程度の大規模出力、一定出力の発電に適しているとされてきたが、近年の研究開発の進展により、作動温度の低温化、低出力での熱自立運転の実現、良好な負荷追従性など、従来にはなかった新たな知見が得られてきており小型分散型発電など多用途への展開が期待されている。 Conventional high-temperature fuel cells are said to be suitable for large-scale power output of several hundred to several thousand kW, and constant power generation. However, due to recent progress in research and development, lower operating temperature and lower output New knowledge such as realization of thermal self-sustained operation and good load followability has been obtained, and it is expected to be used in various applications such as small distributed power generation.
しかしながら、このような技術の進展に伴い、従来のSOFCでは存在しなかった新たな課題が浮上しており、この課題解決が急務となっている。具体的には、作動温度低温化に伴う熱量の不足、負荷追従運転に伴う低負荷運転によってさらに熱量が減少してしまうこと、また要求負荷によっては発電システム内部の熱バランスが急激に変化するために出力が不安定となること、同時に改質反応用の水蒸気生成の熱量が不足し炭素析出発生の恐れがあることなどである。従って、従来のように改質のための熱源を専ら発電反応に依存する熱供給方法だけでは、改質反応が困難となり得る状況が生まれてきた。 However, with the progress of such technology, new problems that did not exist in the conventional SOFC have emerged, and there is an urgent need to solve these problems. Specifically, the amount of heat is further reduced due to the lack of heat associated with lower operating temperatures, the low load operation associated with load following operation, and the heat balance inside the power generation system changes abruptly depending on the required load. In addition, the output becomes unstable, and at the same time, the amount of heat for generating the steam for the reforming reaction is insufficient, which may cause carbon deposition. Therefore, a situation has arisen where the reforming reaction can be difficult only by a heat supply method that relies solely on the power generation reaction as a heat source for reforming as in the prior art.
このような課題に対応するため各種の方法が検討されている。例えば、SOFCと同様に負荷追従が要求される固体高分子形燃料電池(PEFC)の場合では、燃料ガスの一部または水素を含む排ガスを触媒燃焼させることにより生じた高温の燃焼排ガスを改質器外周に供給し、改質に必要となる熱量を賄う方法が提案されている。(特許文献1)
特許文献1のPEFCは低温形燃料電池であり、改質器の加熱のために別途加熱源として燃料及び燃焼室が必要である。一般に、低温形燃料電池では改質を行うためにバーナー等専用の加熱源を改質器に付設することが必須であるが、このことが発電効率を低下させている。 The PEFC of Patent Document 1 is a low temperature fuel cell, and requires a fuel and a combustion chamber as separate heating sources for heating the reformer. Generally, in order to perform reforming in a low-temperature fuel cell, it is essential to attach a dedicated heating source such as a burner to the reformer, but this reduces power generation efficiency.
高温形燃料電池の場合も、改質器専用の加熱源を別途設ければ改質器の熱バランスを最適化する熱量調整を比較的容易に行えるが、改質器専用の加熱源がないことで高効率発電を行えるという高温形燃料電池のメリットを打ち消してしまうことになる。 In the case of a high-temperature fuel cell as well, if a separate heating source dedicated to the reformer is provided, it is relatively easy to adjust the amount of heat to optimize the heat balance of the reformer, but there is no heating source dedicated to the reformer. This negates the merits of high-temperature fuel cells that can generate high-efficiency power.
以上の現状に鑑み本発明は、高温形燃料電池発電システム、特に固体電解質形燃料電池システムにおいて、改質における熱バランス最適化のために別途加熱源を設けることなく、運転中の熱バランスの急変に迅速に対応することにより出力の不安定を回避し、また気化熱量不足による炭素の析出を防止する運転方法を提供することを目的とする。 In view of the above situation, the present invention provides a rapid change in the heat balance during operation in a high-temperature fuel cell power generation system, particularly in a solid oxide fuel cell system, without providing a separate heating source to optimize the heat balance in reforming. It is an object of the present invention to provide an operation method that avoids instability of output by quickly responding to the above and prevents carbon deposition due to insufficient amount of heat of vaporization.
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を提供する。
(1)請求項1に係る燃料電池の運転方法は、炭化水素ガスを含む複数種の改質用気体を混合する混合部と、前記混合部にて混合された複数種の改質用気体を改質触媒により水素含有ガスへ改質する改質部と、前記改質部にて得られた水素含有ガスを用いて固体電解質形燃料電池セルが発電する発電部とを有し、前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度を測定するための温度センサをそれぞれ備えた燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池の発電を停止させる工程において、前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度を監視し、前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度のいずれもが、それぞれ予め設定された温度以上である間は、前記混合部にて水蒸気を前記炭化水素ガスと混合した後、前記改質部にて水蒸気改質を行わせ、かつ、前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度のいずれかが、それぞれ予め設定された温度未満となった後は、前記混合部にて酸素含有ガスを前記炭化水素ガスと混合した後、前記改質部にて部分酸化改質を行わせることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following configurations.
(1) The method of operating a fuel cell according to claim 1, and a mixing unit for mixing plural kinds of reforming gas containing hydrocarbon gas, a plurality of kinds of modifying gases are mixed in the mixing unit a reforming unit for reforming the hydrogen-containing gas by the reforming catalyst, the use of hydrogen-containing gas obtained by the reforming unit have a power generating unit for solid electrolyte fuel cells to generate electricity, the mixing unit An operation method of a fuel cell provided with a temperature sensor for measuring each temperature of the reforming unit and the power generation unit , wherein in the step of stopping power generation of the fuel cell, the mixing unit , the reforming parts and to monitor the respective temperatures of the power generation section, the mixing section, between the both of the reforming portion and the temperature of the power generation unit is a temperature above a preset respectively, water vapor in the mixing portion after mixing with the hydrocarbon gas, steam reforming in the reformer unit Was performed, and the mixing unit, one of the reforming section and the temperature of the power generation unit, after a preset temperature below respectively, wherein the carbonizing an oxygen-containing gas in the mixing unit After mixing with hydrogen gas, partial oxidation reforming is performed in the reforming section .
(2)請求項2に係る燃料電池の運転方法は、炭化水素ガスを含む複数種の改質用気体を混合する混合部と、前記混合部にて混合された複数種の改質用気体を改質触媒により水素含有ガスへ改質する改質部と、前記改質部にて得られた水素含有ガスを用いて固体電解質形燃料電池セルが発電する発電部とを有し、前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度を測定するための温度センサをそれぞれ備えた燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池の発電を停止させる工程において、前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度を監視し、前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度のいずれもが、それぞれ予め設定された温度以上である間は、前記混合部にて水蒸気を前記炭化水素ガスと混合した後、前記改質部にて水蒸気改質を行わせ、かつ、前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度のいずれかが、それぞれ予め設定された温度未満となった後は、前記混合部にて水蒸気及び酸素含有ガスを前記炭化水素ガスと混合した後、前記改質部にて併用改質を行わせることを特徴とする。
(2) The method of operating a fuel cell according to
(3)請求項3に係る燃料電池の運転方法は、請求項1または2において、前記水蒸気改質を行わせる場合において、前記混合部にて水を供給して気化することにより前記水蒸気を得ることを特徴とする。
(3) In the fuel cell operating method according to claim 3, in the case where the steam reforming is performed in
・請求項1に係る燃料電池の運転方法は、燃料電池の発電を停止させる工程において、混合部、改質部及び発電部の各温度を監視し、前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度のいずれもが、それぞれ予め設定された温度以上である間は水蒸気改質を行い、混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度のいずれかが、それぞれ予め設定された温度未満となった後は、部分酸化改質を行うものである。熱バランスの最適状態とは、燃料電池内の熱平衡状態が維持されかつ改質部において炭素析出を生じることなく安定な発電出力が得られている状態をいう。熱バランスが最適状態から変化する場合とは、例えば燃料電池内部の温度低下時等である。改質反応を制御するための別途の加熱源を設けないとすると、従来の水蒸気改質のみを行う運転方法では温度低下時に気化熱量不足により水蒸気が不足し炭素析出が発生する。本発明では、熱バランスが最適状態から変化した場合には水蒸気改質から部分酸化改質に切り替えることにより水蒸気なしで改質を行うことができ、炭素析出を防止できる。部分酸化改質は発熱反応であるため、低下した温度を再び上昇させることができ、熱バランスの最適状態への回復にも寄与する。よって、燃料電池の運転中に種々の要因により熱バランスが最適状態を充足せず、改質部のための熱量が不足したとき、部分酸化改質に切り替えることで熱量不足を補い、調整することができる。また、改質方法を切り替えることにより熱バランスの大きな変動を防止することができ、燃料電池発電の出力不安定を解消できる。
本発明の運転方法は、特に、家庭用として使用される1kW以下の燃料電池に好適に使用することができ、さらに負荷に追随して発電する燃料電池に好適に使用できる。
The method of operating a fuel cell according to claim 1 is to monitor each temperature of the mixing unit, the reforming unit, and the power generation unit in the step of stopping the power generation of the fuel cell, and The steam reforming is performed while each of the temperatures of the sections is equal to or higher than a preset temperature, and any of the temperatures of the mixing section, the reforming section, and the power generation section is preset. After the temperature is lowered , partial oxidation reforming is performed . The optimum state of heat balance refers to a state in which the thermal equilibrium state in the fuel cell is maintained and a stable power generation output is obtained without causing carbon deposition in the reforming section . The case where the heat balance changes from the optimum state is, for example, when the temperature inside the fuel cell is lowered. If a separate heating source for controlling the reforming reaction is not provided, in the conventional operation method in which only steam reforming is performed, steam is insufficient due to insufficient amount of heat of vaporization when the temperature is lowered, and carbon deposition occurs. In the present invention, when the heat balance changes from the optimum state, the reforming can be performed without steam by switching from steam reforming to partial oxidation reforming, and carbon deposition can be prevented. Since the partial oxidation reforming is an exothermic reaction, the lowered temperature can be raised again, contributing to the recovery of the optimum heat balance. Therefore, when the heat balance does not satisfy the optimum state due to various factors during the operation of the fuel cell and the heat quantity for the reforming part is insufficient, the lack of heat quantity is compensated and adjusted by switching to partial oxidation reforming. Can do. Further, by switching the reforming method, it is possible to prevent a large fluctuation in the heat balance, and to solve the unstable output of the fuel cell power generation.
The operation method of the present invention can be particularly suitably used for a fuel cell of 1 kW or less used for home use, and can be suitably used for a fuel cell that generates electric power following a load.
・請求項2では、混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度のいずれかが、それぞれ予め設定された温度未満となった後は、水蒸気改質と部分酸化改質とを併用した併用改質を行う。この場合は、完全に部分酸化改質に切り替えるのではなく、水蒸気の不足分だけ部分酸化改質で補う。これにより、水蒸気不足による炭素析出を防止することができる他、上記請求項1と同様の効果を奏する。加えて、水気化に伴う大きな吸熱によって部分酸化改質による発熱とのバランスを調整することができるため、脈動を防止しつつも熱バランスの制御を行うことができる。また、改質効率の高い水蒸気改質をできる限り利用するため、より高い改質効率が得られる。
-In
・請求項3では、水蒸気と炭化水素ガスの混合の直前に気化が行われるため、気化のための熱量を無駄なく利用できる。水蒸気の状態で供給する場合より設備及び工程の双方を簡素化できる。 -In Claim 3, since vaporization is performed immediately before mixing of water vapor and hydrocarbon gas, the amount of heat for vaporization can be utilized without waste. Both the equipment and the process can be simplified as compared with the case where the steam is supplied.
運転中における混合部、改質部または発電部の温度をパラメータとして熱バランス条件が設定される。温度(温度変化を含む)は、熱バランスを最も直接的に示すパラメータであり、これにより熱バランスの急激な変化に対しても迅速な対応が可能となり、安定な運転を行うことができる。 Mixing unit in the OPERATION, heat balance condition is the temperature of the reforming section or the power generation unit as a parameter. The temperature (including the temperature change) is a parameter that directly indicates the heat balance. This makes it possible to quickly respond to an abrupt change in the heat balance and perform a stable operation.
運転停止時は次第に低温となるため水気化のための熱量が不足し炭素析出するおそれがあるが、部分改質または併用改質によりこれを防止する。この結果、不活性ガスを用いる必要なく、そして損傷無く安全に降温させることができる。 During operation stop gradually there is a possibility that the amount of heat for moisture reduction for the low temperature is carbon deposition insufficient, but to prevent this by partial modification or combination modification. As a result, the temperature can be safely lowered without using an inert gas and without damage.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
燃料電池運転方法の第1の参考形態は、炭化水素ガスを含む複数種の改質用気体を混合する混合工程と、この混合工程にて混合された複数種の改質用気体を改質触媒により水素含有ガスへ改質する改質工程と、この改質工程にて得られた水素含有ガスを用いて固体電解質形燃料電池セルが発電する発電工程とを有し、これらの混合工程、改質工程または発電工程が予め設定された熱バランス条件で行われているか否かを監視し、予め設定された熱バランス条件で行われているときは混合工程にて水蒸気を炭化水素ガスと混合した後、改質工程にて水蒸気改質を行わせ、かつ、予め設定された熱バランス条件で行われていないときは混合工程にて酸素含有ガスを炭化水素ガスと混合した後、改質工程にて部分酸化改質を行わせる方法である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First referential embodiment of the fuel cell operation method, reforming a mixing step of mixing a plurality of types of reforming gas containing hydrocarbon gas, a plurality of types of reforming gas is mixed in the mixing step A reforming step for reforming into a hydrogen-containing gas by a catalyst, and a power generation step in which the solid oxide fuel cell generates power using the hydrogen-containing gas obtained in the reforming step, and a mixing step thereof. Monitors whether the reforming process or the power generation process is performed under preset heat balance conditions, and if it is performed under preset heat balance conditions, steam is mixed with hydrocarbon gas in the mixing process After performing steam reforming in the reforming step and mixing the oxygen-containing gas with the hydrocarbon gas in the mixing step when not performed under preset heat balance conditions, the reforming step In this method, partial oxidation reforming is performed.
燃料電池の運転中には、運転状態によってガス量、水量が大きく変化するために、燃料電池セルにより発電する発電工程と同様に、改質用気体を混合する混合工程(好適には水を供給し水気化を行う)及び改質反応を行う改質工程の熱バランスが変化しやすい。熱バランスが急激に変化すると水気化に必要な熱量が均一に供給されず水の急沸が発生しやすくなりガス供給に脈動が生じ出力が不安定となったり、逆に水気化の熱量が不足し炭素析出を発生させる恐れがある。これらを未然に防ぐために、混合工程、改質工程または発電工程が予め設定された熱バランス条件で行われていないことが検知された場合は、出力不安定及び/または炭素析出の原因となる水を使用する水蒸気改質法から、水を使用しない部分酸化改質法へと改質方法を切り替える。これにより、熱バランスが急変した状態であっても安定した運転を持続させることができる。 During the operation of the fuel cell, the amount of gas and the amount of water change greatly depending on the operating state. Therefore, as with the power generation step of generating power by the fuel cell, a mixing step of mixing the reforming gas (preferably supplying water) The heat balance of the reforming process in which the water vaporization is performed) and the reforming reaction is easily changed. If the heat balance changes abruptly, the amount of heat required for water vaporization is not supplied uniformly, and sudden boiling of water is likely to occur, causing pulsation in the gas supply and unstable output, or conversely, the amount of heat for water vaporization is insufficient There is a risk of carbon deposition. In order to prevent these problems, if it is detected that the mixing process, the reforming process, or the power generation process is not performed under a preset heat balance condition, water that causes output instability and / or carbon deposition may occur. The reforming method is switched from the steam reforming method using NO to the partial oxidation reforming method not using water. As a result, stable operation can be maintained even in a state where the heat balance has suddenly changed.
燃料電池の運転方法の第2の参考形態は、炭化水素ガスを含む複数種の改質用気体を混合する混合工程と、この混合工程にて混合された複数種の改質用気体を改質触媒により水素含有ガスへ改質する改質工程と、この改質工程にて得られた水素含有ガスを用いて固体電解質形燃料電池セルが発電する発電工程とを有し、混合工程、改質工程または発電工程が予め設定された熱バランス条件で行われているか否かを監視し、予め設定された熱バランス条件で行われているときは混合工程にて水蒸気を炭化水素ガスと混合した後、改質工程にて水蒸気改質を行わせ、かつ、予め設定された熱バランス条件で行われていないときは混合工程にて水蒸気及び酸素含有ガスを炭化水素ガスと混合した後、改質工程にて併用改質を行わせる方法である。 Second referential embodiment of the method for operating the fuel cell, reforming a mixing step of mixing a plurality of types of reforming gas, a plurality of types of reforming gas is mixed in the mixing step including a hydrocarbon gas A reforming process for reforming to a hydrogen-containing gas by a solid catalyst, and a power generation process for generating power by the solid oxide fuel cell using the hydrogen-containing gas obtained in the reforming process. Monitoring whether the quality process or power generation process is performed under preset heat balance conditions, and when the process is performed under preset heat balance conditions, steam is mixed with hydrocarbon gas in the mixing process Then, steam reforming is performed in the reforming process, and when not performed under preset heat balance conditions, steam and oxygen-containing gas are mixed with hydrocarbon gas in the mixing process, and reforming is performed. This is a method of performing the combined reforming in the process.
第2の参考形態と、第1の参考形態との差異は、予め設定された熱バランス条件ではない場合に、炭化水素ガスと酸素含有ガスとの混合ガスに、さらに所定量の水蒸気を加えることで水蒸気改質法と部分酸化改質法を組み合わせた併用改質法を用いることである。これを行うことにより、改質に用いる酸素源が増加するために改質に伴う炭素析出の危険性をより抑えることができると共に、水蒸気改質による吸熱によって(さらに、水気化を行う場合は水気化に伴う大きな吸熱によって)部分酸化改質による発熱とのバランスを調整することができるため、脈動を防止しつつも熱バランスの制御を行うことができる。なお、水蒸気と酸素含有ガスとの割合は、炭素析出を生じさせないように制御する。 The difference between the second reference form and the first reference form is that a predetermined amount of water vapor is further added to the mixed gas of hydrocarbon gas and oxygen-containing gas when the heat balance condition is not set in advance. The combined reforming method is a combination of the steam reforming method and the partial oxidation reforming method. By doing this, since the oxygen source used for reforming increases, the risk of carbon deposition accompanying the reforming can be further suppressed, and also by the endothermic effect of steam reforming (and when water vaporization is performed, Since the balance with the heat generated by the partial oxidation reforming can be adjusted (by the large heat absorption associated with the conversion), the heat balance can be controlled while preventing pulsation. The ratio of water vapor and oxygen-containing gas is controlled so as not to cause carbon deposition.
「予め設定する熱バランス条件」は、燃料電池内部、特に混合及び改質を行う工程において熱バランスの最適状態が得られる条件に設定する。ここで、熱バランスの最適状態とは、燃料電池内部の熱平衡状態が維持されかつ改質工程において炭素析出を生じることなく安定な発電出力が得られている状態をいう。熱バランスが最適状態から変化する場合とは、例えば燃料電池内部の温度が正常な運転温度よりも低下する時である。また、「熱バランス条件」は、熱バランスが最適状態であるかを示すパラメータにより設定される。パラメータは、例えば、燃料電池内部において混合工程、改質工程及び/または発電工程を行う部位の温度(温度変化を含む)、燃料電池から取り出される発電量(発電量変化を含む)、燃料電池が特定の運転動作時間であることを示す信号等である。従って、「予め設定された熱バランス条件」とは、熱バランスが最適状態にある条件であり、所定のパラメータが予め設定された値または範囲にあること等で示される。例えば、温度であれば、水蒸気改質のための十分な水蒸気量が得られかつ改質反応に適した温度範囲を設定する。 The “preliminarily set heat balance condition” is set to a condition in which an optimum state of heat balance is obtained in the fuel cell, particularly in the steps of mixing and reforming. Here, the optimum state of heat balance refers to a state in which a thermal equilibrium state inside the fuel cell is maintained and a stable power generation output is obtained without causing carbon deposition in the reforming process. The case where the heat balance changes from the optimum state is when, for example, the temperature inside the fuel cell falls below the normal operating temperature. The “heat balance condition” is set by a parameter indicating whether the heat balance is in an optimum state. The parameters include, for example, the temperature (including temperature change) of the portion where the mixing process, reforming process and / or power generation process are performed inside the fuel cell, the amount of power generated from the fuel cell (including power generation change), the fuel cell It is a signal or the like indicating a specific driving operation time. Accordingly, the “preset heat balance condition” is a condition in which the heat balance is in an optimum state, and is indicated by a predetermined parameter being within a preset value or range. For example, in the case of temperature, a temperature range in which a sufficient amount of steam for steam reforming is obtained and suitable for the reforming reaction is set.
図1は、上記の第1または第2の参考形態の固体電解質形燃料電池の運転方法を実施可能な燃料電池システムの一例の概略構成図である。図中、黒矢印は気体(または水)の流れを、白矢印は制御の流れを示している。燃料電池システム1の主な構成要素は、運転制御部10、燃料電池20、発電量検出部30、運転操作部40である。燃料電池20内には、炭化水素ガスを含む複数種の改質用気体を混合する混合部21と、混合された複数種の改質用気体を改質触媒により水素含有ガスへ改質する改質部22と、得られた水素含有ガスを用いて固体電解質形燃料電池セルが発電する発電部23とが設けられる。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an example of a fuel cell system capable of implementing the solid oxide fuel cell operating method of the first or second reference embodiment. In the figure, black arrows indicate the flow of gas (or water), and white arrows indicate the flow of control. The main components of the fuel cell system 1 are an
いずれの改質方法を行う場合も、混合部21には被改質ガスとして炭化水素ガスが供給される。そして、水蒸気改質を行うときは水または水蒸気が供給され、部分酸化改質を行うときは酸素含有ガスが供給され、併用改質を行うときは水または水蒸気と酸素含有ガス(例えば、空気)とが供給される。なお、水を供給する場合は、混合部21内に設けられた気化部21bで気化し水蒸気とする。混合部21、改質部22及び発電部23は1つの収納容器内に配置されている。
In any reforming method, the mixing
気化部21bで水を気化するための熱量及び改質部22で改質反応を行うための熱量は、発電部23で発生する発電反応による熱及びジュール熱を利用するよう燃料電池20が構成されている。例えば、燃料電池セルからの輻射熱や発電後の余剰燃料であるオフガス、さらにオフガスを燃焼させることによる燃焼熱、及び、その排気ガスから回収される熱である。従って、気化部21b及び改質部22を専ら加熱する加熱源は設けられていない。
The
燃料電池システム1では、基本的には水蒸気改質を行い、そして燃料電池20内の熱バランスの変化に応じて水蒸気改質と部分酸化改質を切り替える運転方法、あるいは水蒸気改質と併用改質を切り替える運転方法により熱バランスの最適状態を維持している。すなわち、燃料電池システム1では、混合部21及び改質部22に別途加熱源を設けることなく混合工程及び改質工程における最適な熱バランスの制御を実現している。
In the fuel cell system 1, basically, steam reforming is performed, and an operation method for switching between steam reforming and partial oxidation reforming according to a change in the heat balance in the
因みに炭化水素ガスをメタンとした場合の水蒸気改質反応の反応式は次の通りである。
CH4+H2O→3H2+CO(吸熱反応)
また、炭化水素ガスをメタンとした場合の部分改質反応の反応式は次の通りである。
CH4+1/2O2→CO+2H2(発熱反応)
Incidentally, the reaction formula of the steam reforming reaction when the hydrocarbon gas is methane is as follows.
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (endothermic reaction)
Moreover, the reaction formula of the partial reforming reaction when the hydrocarbon gas is methane is as follows.
CH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2 (exothermic reaction)
水蒸気改質と部分酸化改質の切り替え、あるいは、水蒸気改質と併用改質の切り替えは、図1の運転制御部10により行われる。運転制御部10は、燃料電池20の混合部21へ供給する炭化水素ガス、水/水蒸気及び酸素含有ガスの供給量をそれぞれ制御する信号を出力する制御部11a、12a及び13aを備えている。各制御部からの制御信号は、各ガスまたは水の供給管に設けられた流量制御バルブ11b、12b及び13bにそれぞれ送られ、各ガスまたは水の供給量を調整したり供給を停止したりする。
Switching between steam reforming and partial oxidation reforming, or switching between steam reforming and combined reforming is performed by the
いずれの改質方法で運転される場合も、炭化水素ガスを含む複数種の改質用気体は混合部21で混合され(混合工程)、改質部22で改質触媒により改質反応を行い(改質工程)、改質ガスである水素含有ガスが発電部23へ供給される。発電部23には燃料電池セルが設けられている。燃料電池セルにおいて水素含有ガスと、別途供給される酸素含有ガス(例えば空気、但し図1に示す部分酸化改質用の酸素含有ガスとは別に制御される)とによる発電反応が行われ(発電工程)、電力が取り出され、負荷へ供給される。発電反応後の排気ガスは外部へ排気される。
In any reforming method, a plurality of types of reforming gases including hydrocarbon gas are mixed in the mixing unit 21 (mixing step), and the reforming reaction is performed by the reforming catalyst in the reforming
混合部21、改質部22及び発電部23には、熱電対等の温度センサ21a、22a及び23aがそれぞれ設けられ、運転中における各部の温度データが運転制御部10へ送られる。これらの温度データは、熱バランス条件のパラメータとして用いられる。例えば、混合部21、改質部22または発電部23のいずれかにおける温度が予め設定された値以上であれば水蒸気改質を行い、予め設定された値未満に低下した場合は、部分酸化改質または併用改質へと切り替える。
The mixing
発電量検出部30は、発電部23における発電量を検出する。例えば、電圧及び/または電流の出力値を計測する。発電量の検出値は、発電量検出部30から運転制御部10へ送られる。発電量の検出値は、熱バランス条件のパラメータとして用いられる。近年の研究開発により高温形燃料電池も数百Wから数十kW程度の小型分散型発電に適用でき、大きな変動幅を持つ負荷追従特性も得られるようになってきたが、要求負荷により低出力状態が長時間継続すると、燃料電池セル及び改質部など高温が必要となる部分の温度が低下してしまい、十分に性能を発揮することが困難となる。また、要求負荷の急激な増大にも迅速に対応できない。水蒸気不足による炭素析出のおそれもある。そこで、発電量が予め設定された値未満でかつ予め設定された時間以上継続する場合は、水蒸気改質から部分酸化改質、または併用改質に切り替えることにより、燃料電池内部の温度上昇を図り、熱バランスの最適状態に回復させる。これにより急激な負荷要求にも迅速に対応できるようになる。特に、1kW以下の家庭用等の小型燃料電池において好適に用いることができる。
The power generation
さらに運転操作部40は、燃料電池システム1の起動及び停止等の基本操作を手動または自動で行う起動部41及び停止部42を具備する。起動部41及び停止部42からは、燃料電池システム1が起動動作または停止動作に入ったとき(例えば、起動スイッチまたは停止スイッチが押されたとき)、そのことを通知する信号がそれぞれ運転制御部10へ送られる。これらの起動通知信号または停止通知信号も熱バランス条件のパラメータとして用いられる。
Furthermore, the driving
例えば、起動通知信号を受信したときは、起動動作が開始され通常運転状態に達するまでの運転起動動作時間を、「予め設定された熱バランス条件で行われていないとき」として判断し、部分酸化改質または併用改質を行わせる。運転起動動作時間の設定は、例えば起動通知信号を受信してから一定時間経過後としてもよく、あるいは燃料電池内部のいずれかの温度センサにより一定温度(例えば、600℃〜750℃)に達したと判断した時点までとしてもよい。運転起動時に部分酸化改質または併用改質を使用することにより、水気化に必要となる大きな熱量を必要としないことに加え、発熱反応によって生じた熱量を燃料電池セル、混合部及び改質部の昇温に利用することができるため迅速な起動を行うことが可能となる。同時に、水気化不良による炭素析出を防止することができる。 For example, when the activation notification signal is received, the operation activation operation time from when the activation operation is started until the normal operation state is reached is determined as “when not performed under a preset heat balance condition”, and partial oxidation is performed. Reform or combination reform is performed. The operation start operation time may be set, for example, after a predetermined time has elapsed after receiving the start notification signal, or reached a certain temperature (for example, 600 ° C. to 750 ° C.) by any temperature sensor inside the fuel cell. It may be up to the time when it is determined. By using partial oxidation reforming or combined reforming at the start of operation, not only the large amount of heat required for water vaporization is required, but also the amount of heat generated by the exothermic reaction is reduced to the fuel cell, mixing unit and reforming unit Since it can be used to raise the temperature, it becomes possible to start up quickly. At the same time, carbon deposition due to poor water vaporization can be prevented.
一方、例えば、停止通知信号を受信したときは、停止動作が開始され完全にシステム停止するまでの運転停止動作時間を、「予め設定された熱バランス条件で行われていないとき」と判断し、部分酸化改質または併用改質を行わせる。運転停止動作時間の設定は、例えば停止通知信号の受信後、燃料電池内部のいずれかの温度センサにより一定温度まで低下したと判断した時点からとしてもよい。運転停止時は燃料電池を損傷無く安全に降温する必要があるため、従来は不活性ガスを使用して降温を実施していたが、小型分散型用途では不活性ガス供給設備を設置することは困難である。そこで、従来の小型分散型用途では運転中と同じく水蒸気改質によって還元雰囲気を作り出し、燃料電池セル及び触媒等の保護をおこなっていた。しかしながら、温度低下に伴い水気化に必要な熱量が徐々に不足して行き、炭素析出を引き起こす恐れがあった。本発明では、運転停止動作時間に部分酸化改質または併用改質を使用することにより、水気化不良の懸念を払拭し、例えば、1kW以下の家庭用等の小型分散型の燃料電池を損傷無く安全に降温することができる。 On the other hand, for example, when the stop notification signal is received, the operation stop operation time until the stop operation is started and the system is completely stopped is determined as “when not performed under a preset heat balance condition”, Partial oxidation reforming or combined reforming is performed. The operation stop operation time may be set, for example, from the time when it is determined that the temperature has decreased to a certain temperature by any temperature sensor inside the fuel cell after receiving the stop notification signal. Since it is necessary to cool the fuel cell safely without any damage when the operation is stopped, the temperature was conventionally lowered using an inert gas. However, it is not possible to install an inert gas supply facility for small distributed applications. Have difficulty. Therefore, in the conventional small dispersion type application, a reducing atmosphere is created by steam reforming in the same manner as during operation to protect the fuel cell and the catalyst. However, as the temperature drops, the amount of heat necessary for water vaporization gradually decreases, which may cause carbon deposition. In the present invention, by using partial oxidation reforming or combined reforming during the shutdown operation time, the concern of poor water vaporization is eliminated, and, for example, a small distributed fuel cell for home use of 1 kW or less is not damaged. The temperature can be lowered safely.
運転制御部10は、熱バランス条件を示す各パラメータが予め設定された値または範囲等であるか否かを判断し、その判断結果に基づいて各制御部11a、12a及び13aから制御信号を発生する。水蒸気改質及び併用改質を行う場合は、水/水蒸気を供給しその流量を制御する。部分酸化改質を行う場合は酸素含有ガスを供給しその流量を制御する。また、各改質方法を行う場合、炭化水素ガスの流量も水/水蒸気または酸素含有ガスの流量と最適な比率となるように制御する。
The
以上のように、本発明の運転方法によれば、混合部及び改質部において水気化及び改質のための専用の加熱源を有しなくとも、熱バランスを最適とする制御を十分行うことができる。特に、燃料電池の運転条件によって熱バランスが大きく変化しやすい高温形燃料電池においては、改質方法として水蒸気改質法だけでなく部分酸化改質法または併用改質法を組み合わせることが、熱バランスの最適化を行い安定した運転を行うために有効である。 As described above, according to the operation method of the present invention, the control for optimizing the heat balance can be sufficiently performed without having a dedicated heating source for water vaporization and reforming in the mixing unit and the reforming unit. Can do. In particular, in high-temperature fuel cells where the heat balance is likely to change greatly depending on the operating conditions of the fuel cell, it is possible to combine not only the steam reforming method but also the partial oxidation reforming method or the combined reforming method as the reforming method. It is effective for optimizing the system and performing stable operation.
1 燃料電池システム
10 運転制御部
21 混合部
21a、22a、22b 温度センサ
21b 気化部
22 改質部
23 発電部
30 発電量検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
前記燃料電池の発電を停止させる工程において、
前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度を監視し、
前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度のいずれもが、それぞれ予め設定された温度以上である間は、前記混合部にて水蒸気を前記炭化水素ガスと混合した後、前記改質部にて水蒸気改質を行わせ、かつ、
前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度のいずれかが、それぞれ予め設定された温度未満となった後は、前記混合部にて酸素含有ガスを前記炭化水素ガスと混合した後、前記改質部にて部分酸化改質を行わせることを特徴とする燃料電池の運転方法。 A mixing unit for mixing plural kinds of reforming gas containing hydrocarbon gas, a reforming section for reforming a plurality of kinds of modifying gases are mixed in the mixing portion to the hydrogen-containing gas by a reforming catalyst , using said hydrogen-containing gas obtained by the reforming unit have a power generating unit for solid electrolyte fuel cells to generate electricity, the mixing unit, measuring each temperature of the reforming section and the power generating unit a temperature sensor to a method of operating a fuel cell comprising each for,
In the step of stopping the power generation of the fuel cell,
Monitor each temperature of the mixing unit , the reforming unit and the power generation unit ,
While each temperature of the mixing unit, the reforming unit, and the power generation unit is equal to or higher than a preset temperature, steam is mixed with the hydrocarbon gas in the mixing unit , and then the reforming is performed. Steam reforming is performed in the mass part , and
After each of the temperatures of the mixing unit, the reforming unit, and the power generation unit is less than a preset temperature, after the oxygen-containing gas is mixed with the hydrocarbon gas in the mixing unit A method of operating a fuel cell, wherein partial reforming reforming is performed in the reforming unit .
前記燃料電池の発電を停止させる工程において、
前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度を監視し、
前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度のいずれもが、それぞれ予め設定された温度以上である間は、前記混合部にて水蒸気を前記炭化水素ガスと混合した後、前記改質部にて水蒸気改質を行わせ、かつ、
前記混合部、前記改質部及び前記発電部の各温度のいずれかが、それぞれ予め設定された温度未満となった後は、前記混合部にて水蒸気及び酸素含有ガスを前記炭化水素ガスと混合した後、前記改質部にて併用改質を行わせることを特徴とする燃料電池の運転方法。 A mixing unit for mixing plural kinds of reforming gas containing hydrocarbon gas, a reforming section for reforming a plurality of kinds of modifying gases are mixed in the mixing unit into a hydrogen-containing gas by a reforming catalyst , using said hydrogen-containing gas obtained by the reforming unit have a power generating unit for solid electrolyte fuel cells to generate electricity, the mixing unit, measuring each temperature of the reforming section and the power generating unit a temperature sensor to a method of operating a fuel cell comprising each for,
In the step of stopping the power generation of the fuel cell,
Monitor each temperature of the mixing unit , the reforming unit and the power generation unit ,
While each temperature of the mixing unit, the reforming unit, and the power generation unit is equal to or higher than a preset temperature, steam is mixed with the hydrocarbon gas in the mixing unit , and then the reforming is performed. Steam reforming is performed in the mass part , and
The mixing unit, one of the reforming section and the temperature of the power generation unit, after a preset temperature below respectively, mixing the water vapor and oxygen-containing gas and the hydrocarbon gas in said mixing unit Then, the reforming unit performs the combined reforming, and the fuel cell operating method.
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