JP5659868B2

JP5659868B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP5659868B2
Application number: JP2011046454A
Authority: JP
Inventors: 元久上條; 博通三輪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: JP2012185924A

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池の改質活性が低下した場合にこれを検知し、改質器の温度を一定に保持する技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a technique for detecting when the reforming activity of a fuel cell is reduced and maintaining the temperature of the reformer constant.

燃料電池は、燃料と空気を電池内部に供給して化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することにより発電する電池であり、なかでもＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell；固体酸化物型燃料電池)は、発電効率が高い燃料電池として知られている。 A fuel cell is a cell that generates electricity by supplying fuel and air into the cell and directly converts chemical energy into electrical energy. Among them, SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) generates electricity. It is known as a highly efficient fuel cell.

このようなＳＯＦＣは、燃料電池の出力が変動した場合に発電効率が低下するという問題が有るので、この問題を解決するために、例えば特開２０１０−２０５６４７号公報（特許文献１）では、燃料電池スタックの出力温度を測定し、この温度に基づいて空気極に供給する空気量を制御することにより、高い発電効率で運転することが提案されている。 Such SOFC has a problem that the power generation efficiency decreases when the output of the fuel cell fluctuates. To solve this problem, for example, in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-205647 (Patent Document 1), It has been proposed to operate with high power generation efficiency by measuring the output temperature of the battery stack and controlling the amount of air supplied to the air electrode based on this temperature.

特開２０１０−２０５６４７号公報JP 2010-205647 A

しかしながら、特許文献１では、燃料極の改質能力の経時的な低下について言及されていない。つまり、長期間の使用によりスタックの燃料極（アノード極）の改質能力が低下すると、アノード排気ガスに含まれる可燃ガス（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4等）の濃度が低下するので、改質器の燃焼器で得られる熱量が低減し、改質効率の低下、及びカーボン析出が発生し、ひいてはシステム全体の運転効率が低下するという問題が発生する。 However, Patent Document 1 does not mention the deterioration with time of the reforming ability of the fuel electrode. That is, if the reforming capacity of the fuel electrode (anode electrode) of the stack is lowered due to long-term use, the concentration of combustible gas (H2, CO, CH4, etc.) contained in the anode exhaust gas is lowered. The amount of heat obtained by the combustor is reduced, the reforming efficiency is lowered, and carbon deposition occurs, resulting in a problem that the operating efficiency of the entire system is lowered.

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の改質能力が低下した場合にこれを検知することが可能な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of detecting when the reforming capability of the fuel cell is reduced. Is to provide.

上記目的を達成するため、本発明は、改質流路層と、燃料電池のアノード極より排出されるアノード排気ガスの一部が導入されて該改質流路層に導入されるガスを加熱する燃焼バーナ層を備えた改質手段と、アノード極に前記改質手段より出力される改質ガスが供給され、カソード極に空気が供給されて発電し、且つ、アノード極に水蒸気が発生する燃料電池と、前記改質流路層の温度、または前記改質バーナ温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段にて検出される温度に基づいて、前記燃料電池の改質活性の低下を検出する制御手段と、を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention heats the gas introduced into the reforming channel layer by introducing the reforming channel layer and a part of the anode exhaust gas discharged from the anode electrode of the fuel cell. Reforming means having a combustion burner layer to be supplied, the reformed gas output from the reforming means is supplied to the anode electrode, air is supplied to the cathode electrode, and electric power is generated, and water vapor is generated at the anode electrode. Based on the temperature detected by the fuel cell, the temperature of the reforming flow path layer or the reforming burner, and the temperature detected by the temperature detecting means, the reforming activity of the fuel cell is reduced. And a control means for detecting.

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池の燃料極改質能力が低下すると、燃料極の出力ガス中に含まれる可燃ガス（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4等）の濃度が低下するので、改質手段の温度が低下する。そして、改質手段の温度を測定することにより、燃料極改質能力の低下を検出することができる。 In the fuel cell system according to the present invention, when the fuel electrode reforming ability of the fuel cell is reduced, the concentration of the combustible gas (H2, CO, CH4, etc.) contained in the output gas of the fuel electrode is reduced. Temperature drops. And the fall of fuel electrode reforming capability is detectable by measuring the temperature of a reforming means.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける、燃料電池の発電電力と燃料改質器の出口の改質ガス温度との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the generated power of a fuel cell and the reformed gas temperature of the exit of a fuel reformer in the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける、Ｆ／Ｃ_ＡとＲ／Ｃ_Ａとの関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between F / C_A and R / C_A in the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける、Ａ／Ｆと燃料改質器の出口の改質ガス温度との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between A / F and the reformed gas temperature of the exit of a fuel reformer in the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、該燃料電池システム１００は、カソード極（空気極）１１ａ及びアノード極（燃料極）１１ｂを備えた燃料電池１１と、燃料改質器１５ａ（改質流路層）及び燃焼バーナにより燃料改質器１５ａを加熱する改質器加熱器１５ｂ（燃焼バーナ層）を備えた改質装置１５（改質手段）と、を備えている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a fuel cell 11 having a cathode electrode (air electrode) 11a and an anode electrode (fuel electrode) 11b, a fuel reformer 15a (reforming channel layer), And a reformer 15 (reforming means) including a reformer heater 15b (combustion burner layer) for heating the fuel reformer 15a by the combustion burner.

更に、燃料電池システム１００は、燃料電池１１のカソード極１１ａに空気を供給する第３空気ブロワ１２と、該第３空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する空気加熱熱交換器１３と、アノード極１１ｂの出口側に設置されてアノード排気ガスを循環させる燃料循環ブロワ１６（循環手段）と、燃料改質器１５ａに空気を供給する第１空気ブロワ１７（第１空気供給手段）と、燃料改質器１５ａに燃料を供給する燃料ポンプ１８（燃料供給手段）と、燃料循環ブロワ１６により送出されるアノード排気ガスの一部を分岐させて燃料改質器１５ａに供給する循環量調整バルブ１９（循環手段）と、該循環量調整バルブ１９により燃料改質器１５ａ側に分岐するアノード排気ガスの流量を検出する循環ガス流量計２０と、を備えている。 Further, the fuel cell system 100 includes a third air blower 12 that supplies air to the cathode electrode 11a of the fuel cell 11, an air heating heat exchanger 13 that heats air sent from the third air blower 12, an anode A fuel circulation blower 16 (circulation means) installed on the outlet side of the electrode 11b for circulating the anode exhaust gas, a first air blower 17 (first air supply means) for supplying air to the fuel reformer 15a, and a fuel A fuel pump 18 (fuel supply means) for supplying fuel to the reformer 15a, and a circulation amount adjusting valve 19 for branching a part of the anode exhaust gas sent out by the fuel circulation blower 16 and supplying it to the fuel reformer 15a (Circulation means) and a circulation gas flow meter 20 for detecting the flow rate of the anode exhaust gas branched to the fuel reformer 15 a side by the circulation amount adjusting valve 19.

そして、第１空気ブロワ１７より送出される空気、燃料ポンプ１８より送出される燃料ガス、及び循環量調整バルブ１９により分岐して循環するアノード排気ガスは、混合ガスとして燃料改質器１５ａに供給される。 The air sent from the first air blower 17, the fuel gas sent from the fuel pump 18, and the anode exhaust gas branched and circulated by the circulation amount adjusting valve 19 are supplied to the fuel reformer 15a as a mixed gas. Is done.

また、燃料電池１１のカソード極１１ａより排出される排気ガス、及び燃料循環ブロワ１６により送出されて燃料改質器１５ａ側に循環されないアノード排気ガスは、排気ガス流路Ｌ１に供給され、更に、該排気ガス流路Ｌ１には、第２空気ブロワ２２より送出される空気が供給される。従って、カソード極１１ａの排気ガス、アノード排気ガス、及び第２空気ブロワ２２より送出される空気が混合し、排気ガス流路Ｌ１を経由して改質器加熱器１５ｂに供給される。 Further, the exhaust gas discharged from the cathode electrode 11a of the fuel cell 11 and the anode exhaust gas sent out by the fuel circulation blower 16 and not circulated to the fuel reformer 15a side are supplied to the exhaust gas flow path L1, and Air sent from the second air blower 22 is supplied to the exhaust gas passage L1. Therefore, the exhaust gas of the cathode electrode 11a, the anode exhaust gas, and the air sent out from the second air blower 22 are mixed and supplied to the reformer heater 15b via the exhaust gas passage L1.

燃料電池１１は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cell）であり、アノード極１１ｂに供給される改質された燃料と、カソード極１１ａに供給される空気により電力を発生させて、モータ等の電力需要設備に供給する。 The fuel cell 11 is, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC), and generates electric power from the reformed fuel supplied to the anode electrode 11b and the air supplied to the cathode electrode 11a. And supply it to a power demand facility such as a motor.

改質装置１５は、例えば熱交換器型改質器であり、改質器加熱器１５ｂ（燃焼バーナ層）より供給される熱により燃料改質器１５ａ（改質流路層）を加熱し、燃料ポンプ１８等から混合ガスとして供給される燃料を触媒反応を用いて改質し、改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）を燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給する。 The reformer 15 is, for example, a heat exchanger type reformer, and heats the fuel reformer 15a (reforming channel layer) with heat supplied from the reformer heater 15b (combustion burner layer). The fuel supplied as a mixed gas from the fuel pump 18 or the like is reformed using a catalytic reaction, and the reformed fuel (reformed gas including hydrogen gas) is supplied to the anode 11b of the fuel cell 11.

また、第１空気ブロワ１７、第２空気ブロワ２２、第３空気ブロワ１２、燃料ポンプ１８、燃料循環ブロワ１６、循環量調整バルブ１９、循環ガス流量計２０は、それぞれ制御部３１（制御手段）に接続されている。更に、燃料改質器１５ａの出口付近には、燃料改質器１５ａの温度を測定するための温度センサ２１（改質器温度検出手段）が設置され、該温度センサ２１もやはり制御部３１に接続されている。なお、制御部３１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び各種の操作子等からなるマイコンにより構成することが可能であり、後述するように、温度センサ２１で検出される温度に基づいて、燃料電池１１の燃料極の改質能力が低下しているか否かを検出する。更に、改質能力が低下している場合には、この状態に応じて、第１空気ブロワ１７、第２空気ブロワ２２、燃料ポンプ１８、燃料循環ブロワ１６、循環量調整バルブ１９、を制御し、燃料改質器１５ａの出力温度が所望の温度となるように制御する。 Further, the first air blower 17, the second air blower 22, the third air blower 12, the fuel pump 18, the fuel circulation blower 16, the circulation amount adjusting valve 19, and the circulation gas flow meter 20 are respectively controlled by a control unit 31 (control means). It is connected to the. Further, a temperature sensor 21 (reformer temperature detecting means) for measuring the temperature of the fuel reformer 15a is installed near the outlet of the fuel reformer 15a. The temperature sensor 21 is also connected to the control unit 31. It is connected. Note that the control unit 31 can be configured by, for example, a microcomputer including a CPU, a RAM, a ROM, and various operators, and based on the temperature detected by the temperature sensor 21, as described later. It is detected whether or not the reforming ability of the fuel electrode of the fuel cell 11 is lowered. Further, when the reforming capacity is lowered, the first air blower 17, the second air blower 22, the fuel pump 18, the fuel circulation blower 16, and the circulation amount adjusting valve 19 are controlled according to this state. The output temperature of the fuel reformer 15a is controlled to be a desired temperature.

次に、燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給する燃料の流れ、及びカソード極１１ａに供給する空気の流れについて、詳細に説明する。 Next, the flow of fuel supplied to the anode 11b of the fuel cell 11 and the flow of air supplied to the cathode 11a will be described in detail.

まず、燃料電池１１のアノード極１１ｂに燃料を供給する流路について説明する。燃料ポンプ１８より送出される燃料は、第１空気ブロワ１７より送出される改質空気、及びアノード極１１ｂより排出される循環ガスと混合され、燃料改質器１５ａに供給される。このとき、循環ガスは、燃料電池１１での発電により生成された水蒸気及び二酸化炭素を含む。 First, the flow path for supplying fuel to the anode 11b of the fuel cell 11 will be described. The fuel sent from the fuel pump 18 is mixed with the reformed air sent from the first air blower 17 and the circulating gas discharged from the anode 11b, and supplied to the fuel reformer 15a. At this time, the circulating gas includes water vapor and carbon dioxide generated by power generation in the fuel cell 11.

燃料改質器１５ａ内では、供給された燃料と改質空気中の酸素とによる部分酸化反応（発熱反応）、及び燃料と循環ガス中の水蒸気とによる水蒸気改質反応（吸熱反応）、及びこれらの反応により生成した一酸化炭素と水蒸気とによるシフト反応（発熱反応）が進行する。 In the fuel reformer 15a, a partial oxidation reaction (exothermic reaction) by the supplied fuel and oxygen in the reformed air, a steam reforming reaction (endothermic reaction) by the fuel and water vapor in the circulating gas, and these The shift reaction (exothermic reaction) of carbon monoxide and water vapor generated by the reaction proceeds.

そして、燃料改質器１５ａより出力される改質ガスは、燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給される。アノード極１１ｂに供給された改質ガスに含まれる水素（Ｈ2）、及び一酸化炭素（ＣＯ）は、カソード極１１ａから電解質膜を介して供給される酸素イオンと電気化学反応を起こし、それぞれ水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）を生成する。このとき、電子が電極（外部回路側）に出力され、発電電力が発生する。 The reformed gas output from the fuel reformer 15 a is supplied to the anode electrode 11 b of the fuel cell 11. Hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) contained in the reformed gas supplied to the anode electrode 11b cause an electrochemical reaction with oxygen ions supplied from the cathode electrode 11a through the electrolyte membrane. (H2O) and carbon dioxide (CO2) are produced. At this time, electrons are output to the electrode (external circuit side), and generated power is generated.

アノード極１１ｂより排出される排気ガスは、燃料循環ブロワ１６にて昇圧され、その一部が循環量調整バルブ１９を経由して、燃料改質器１５ａを循環する。このとき、循環ガス流量計２０で測定される循環ガスの流量信号は、制御部３１に出力されるので、制御部３１では、循環ガス流量、及び改質ガス循環率（アノード排気ガスを燃料改質器１５ａへ循環させる流量の割合）を認識することができる。 The exhaust gas discharged from the anode 11b is boosted by the fuel circulation blower 16, and a part thereof circulates through the fuel reformer 15a via the circulation amount adjusting valve 19. At this time, the flow signal of the circulating gas measured by the circulating gas flow meter 20 is output to the control unit 31. Therefore, the control unit 31 uses the circulating gas flow rate and the reformed gas circulation rate (the anode exhaust gas as a fuel modification). The ratio of the flow rate circulated to the mass device 15a can be recognized.

また、余剰のアノード排気ガス（循環されない排気ガス）は、循環量調整バルブ１９から排気ガス流路Ｌ１に導入され、更に、該排気ガス流路Ｌ１には、カソード極１１ａの排気ガス、及び第２空気ブロワ２２より送出される空気が供給されるので、これらが混合し、混合したガスが、改質器加熱器１５ｂに導入される。改質装置１５は、改質器加熱器１５ｂの流路と燃料改質器１５ａの流路が交互に積層され、全体で熱交換器型改質器を形成している。 Excess anode exhaust gas (exhaust gas that is not circulated) is introduced into the exhaust gas passage L1 from the circulation amount adjusting valve 19, and further, the exhaust gas passage L1 contains exhaust gas from the cathode electrode 11a and Since the air sent from the 2-air blower 22 is supplied, these are mixed and the mixed gas is introduced into the reformer heater 15b. In the reformer 15, the flow path of the reformer heater 15b and the flow path of the fuel reformer 15a are alternately stacked to form a heat exchanger type reformer as a whole.

改質器加熱器１５ｂでは、アノード排気ガス中に含まれる一酸化炭素及び水素を、カソード排気ガス中の残留酸素、及び第２空気ブロワ２２より供給する空気と混合して燃焼させ、高温の加熱ガスを生成する。そして、この加熱ガスにより、燃料改質器１５ａ及び改質ガスを加熱する。このとき、燃料改質器１５ａの温度（改質器出口温度）は、改質反応に必要な所定の温度に維持する必要がある。この燃料改質器１５ａの温度は、改質器加熱器１５ｂより導入される熱量、燃料改質器１５ａで進行する吸熱反応熱量、発熱反応熱量、及び入口ガスが持つエンタルピーと熱容量により決定する。 In the reformer heater 15b, carbon monoxide and hydrogen contained in the anode exhaust gas are mixed and burned with residual oxygen in the cathode exhaust gas and air supplied from the second air blower 22, and heated at a high temperature. Generate gas. Then, the fuel reformer 15a and the reformed gas are heated by this heated gas. At this time, the temperature of the fuel reformer 15a (reformer outlet temperature) needs to be maintained at a predetermined temperature necessary for the reforming reaction. The temperature of the fuel reformer 15a is determined by the amount of heat introduced from the reformer heater 15b, the endothermic reaction heat that proceeds in the fuel reformer 15a, the exothermic reaction heat, and the enthalpy and heat capacity of the inlet gas.

次に、燃料電池１１のカソード極１１ａに空気を供給する流路について説明する。第３空気ブロワ１２より導入される空気は、空気加熱熱交換器１３により昇温され、燃料電池１１のカソード極１１ａに導入される。カソード極１１ａに導入された空気中に含まれる酸素は、カソード極１１ａで電子と反応し、酸素イオンを生成する。電子は、アノード極１１ｂから外部負荷回路を介して供給される。カソード極１１ａで生成した酸素イオンは、電解質膜を介してアノード極１１ｂへ伝導する。 Next, the flow path for supplying air to the cathode 11a of the fuel cell 11 will be described. The air introduced from the third air blower 12 is heated by the air heating heat exchanger 13 and introduced into the cathode 11 a of the fuel cell 11. Oxygen contained in the air introduced into the cathode electrode 11a reacts with electrons at the cathode electrode 11a to generate oxygen ions. Electrons are supplied from the anode 11b through an external load circuit. Oxygen ions generated at the cathode electrode 11a are conducted to the anode electrode 11b through the electrolyte membrane.

このとき、スタック（アノード極１１ｂ、及びカソード極１１ａ）の温度は、燃料電池反応（アノード反応／カソード反応）に必要な所定の温度に維持する必要がある。アノード極１１ｂ、及びカソード極１１ａの温度は、それぞれの電極上で進行する反応熱量（電力として取り出されなかった排熱量）、導入される燃料、空気ガスが持つエンタルピー、及びその熱容量に決定される。また、燃料ガスは、燃料電池１１の温度とほぼ同じ温度に制御されているため、実質的に、反応熱を空気ガスに伝達させることで燃料電池１１の温度を制御することができる。 At this time, the temperature of the stack (anode electrode 11b and cathode electrode 11a) needs to be maintained at a predetermined temperature required for the fuel cell reaction (anode reaction / cathode reaction). The temperature of the anode electrode 11b and the cathode electrode 11a is determined by the amount of reaction heat (exhaust heat amount not extracted as electric power) traveling on the respective electrodes, the introduced fuel, the enthalpy of the air gas, and its heat capacity. . Further, since the fuel gas is controlled to substantially the same temperature as the temperature of the fuel cell 11, the temperature of the fuel cell 11 can be controlled substantially by transferring reaction heat to the air gas.

即ち、第３空気ブロワ１２より導入された空気は、空気加熱熱交換器１３を通過する際に、改質器加熱器１５ｂの排気ガスから熱を受け取って加熱される。このとき、空気加熱熱交換器１３の熱交換面積は、加熱後の空気温度が燃料電池１１の温度よりも低くなるように設計されている。 That is, the air introduced from the third air blower 12 is heated by receiving heat from the exhaust gas of the reformer heater 15b when passing through the air heating heat exchanger 13. At this time, the heat exchange area of the air heating heat exchanger 13 is designed so that the air temperature after heating is lower than the temperature of the fuel cell 11.

燃料電池１１の出口温度が低いときには、第３空気ブロワ１２による空気送出量を減少させることにより、反応熱の空気への伝達量を減少させる。一方、燃料電池１１の出口温度が高いときには、第３空気ブロワ１２による空気送出量を増加させることにより、反応熱の空気への伝達量を増加させる。 When the outlet temperature of the fuel cell 11 is low, the amount of reaction heat transferred to the air is reduced by reducing the amount of air delivered by the third air blower 12. On the other hand, when the outlet temperature of the fuel cell 11 is high, the amount of reaction heat transferred to the air is increased by increasing the amount of air delivered by the third air blower 12.

以上のような制御を行うことにより、燃料電池１１の温度制御が可能となる。目標燃料電池温度は、任意の場所で任意の温度に設定可能であり、予め行った実験等を基に一定に設定できる。本実施形態では、目標燃料電池温度をカソード極１１ａのガス出口温度を６５０℃としている。 By performing the control as described above, the temperature of the fuel cell 11 can be controlled. The target fuel cell temperature can be set to an arbitrary temperature at an arbitrary place, and can be set to be constant based on experiments conducted in advance. In this embodiment, the target fuel cell temperature is set to 650 ° C. at the gas outlet temperature of the cathode 11a.

次に、温度センサ２１で検出される温度と、燃料電池１１のアノード極（燃料極）１１ｂの改質能力の関係について説明する。図２は、改質能力の異なる燃料極でシステムを運転したときの、発電出力と燃料改質器１５ａの出口での改質ガス温度（温度センサ２１の検出温度）との関係を示す特性図であり、曲線ｑ１は初期状態（燃料極の改質能力が低下していない状態）における特性を示し、曲線ｑ２はある程度の時間が経過したときの状態である状態Ａの特性を示し、曲線ｑ３は更に時間が経過したときの状態である状態Ｂにおける特性を示している。 Next, the relationship between the temperature detected by the temperature sensor 21 and the reforming ability of the anode (fuel electrode) 11b of the fuel cell 11 will be described. FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the power generation output and the reformed gas temperature at the outlet of the fuel reformer 15a (the temperature detected by the temperature sensor 21) when the system is operated with fuel electrodes having different reforming capacities. Curve q1 shows the characteristics in the initial state (state in which the reforming capability of the fuel electrode is not lowered), curve q2 shows the characteristics of state A when a certain amount of time has passed, and curve q3 Indicates the characteristics in the state B, which is the state when the time further elapses.

そして、曲線ｑ１〜ｑ３に示すように、燃料改質器１５ａの出口での改質ガス温度は、発電出力の増加に伴って徐々に低下する特性を有している。また、燃料極の改質能力が経時変化により、初期状態→状態Ａ→状態Ｂの順に低下すると、同一の発電出力とした場合には、改質ガスの温度が低下していることが判る。 As indicated by the curves q1 to q3, the reformed gas temperature at the outlet of the fuel reformer 15a has a characteristic that it gradually decreases as the power generation output increases. Further, when the reforming capability of the fuel electrode is lowered in the order of the initial state → the state A → the state B due to the change with time, it can be seen that the temperature of the reformed gas is lowered when the power generation output is the same.

即ち、燃料極の改質能力の低下が生じると、燃料極の出口ガス中（アノード排気ガス中）に含まれる可燃ガス（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4等）の濃度が低下し、改質器加熱器１５ｂでの燃焼による発熱量が低減するので、この改質器加熱器１５ｂから燃料改質器１５ａの改質ガスに伝達される熱量が低下し、改質ガスの温度が低下することになる。このため、図２に示すように、燃料極の改質能力の低下に応じて、ｑ１，ｑ２，ｑ３の順に改質ガス温度が低下する。そして、本実施形態では、この改質ガス温度の低下を検出することにより、燃料極（アノード極１１ｂ）の改質能力の低下を検出することができる。 That is, when the reforming capacity of the fuel electrode is reduced, the concentration of the combustible gas (H2, CO, CH4, etc.) contained in the outlet gas of the fuel electrode (in the anode exhaust gas) is lowered, and the reformer heater Since the amount of heat generated by the combustion at 15b is reduced, the amount of heat transferred from the reformer heater 15b to the reformed gas of the fuel reformer 15a is lowered, and the temperature of the reformed gas is lowered. For this reason, as shown in FIG. 2, the reformed gas temperature decreases in the order of q1, q2, and q3 in accordance with the decrease in the reforming capability of the fuel electrode. And in this embodiment, the fall of the reforming capability of a fuel electrode (anode pole 11b) is detectable by detecting the fall of this reformed gas temperature.

次に、燃料ポンプ１８より供給する燃料流量Ｆと、第２空気ブロワ２２より供給する空気流量Ｃ_Ａとの比率Ｆ／Ｃ_Ａと、燃料循環ブロワ１６から燃料改質器１５ａ側に循環するアノード排気ガスの流量Ｒと第２空気ブロワ２２より供給する空気流量Ｃ_Ａとの比率Ｒ／Ｃ_Ａとの関係について説明する。 Next, the ratio F / C_A of the fuel flow rate F supplied from the fuel pump 18 and the air flow rate C_A supplied from the second air blower 22, and the anode exhaust gas circulated from the fuel circulation blower 16 to the fuel reformer 15a side. The relationship between the ratio R / C_A of the flow rate R and the air flow rate C_A supplied from the second air blower 22 will be described.

燃料電池１１の温度を一定に保持した状態で、且つ、燃料改質器１５ａの出口の改質ガス温度（温度センサ２１で検出される温度）が一定となるように運転した場合に、上記のＦ／Ｃ_ＡとＲ／Ｃ_Ａとの関係は、図３に示すように一次関数的な関係となる。また、この関係は、燃料電池１１の発電出力、燃料極の活性状態に関わらず、一定の関係となっている。即ち、Ｆ／Ｃ_Ａが決定すると、温度一定条件におけるＲ／Ｃ_Ａが決定することになるので、図３に示す関係式を用いて、燃料ポンプ１８により供給する燃料流量Ｆ、第２空気ブロワ２２より供給する空気流量Ｃ_Ａ、及び循環ガス流量Ｒを設定することにより、燃料電池１１と改質装置１５との間の熱バランスを満たした状態で、所望の発電出力を得ることが可能となることが判る。 When the fuel cell 11 is operated so that the temperature of the fuel cell 11 is kept constant and the reformed gas temperature at the outlet of the fuel reformer 15a (temperature detected by the temperature sensor 21) is constant, The relationship between F / C_A and R / C_A is a linear function relationship as shown in FIG. This relationship is a constant relationship regardless of the power generation output of the fuel cell 11 and the active state of the fuel electrode. That is, when F / C_A is determined, R / C_A under a constant temperature condition is determined. Therefore, the fuel flow rate F supplied by the fuel pump 18 and the second air blower 22 are calculated using the relational expression shown in FIG. By setting the supplied air flow rate C_A and the circulating gas flow rate R, it may be possible to obtain a desired power generation output in a state where the thermal balance between the fuel cell 11 and the reformer 15 is satisfied. I understand.

次に、燃料改質器１５ａの出口の改質ガス温度（温度センサ２１で検出される温度）と第１空気ブロワ１７より供給する空気流量Ａと燃料ポンプ１８より供給する燃料流量Ｆとの比率であるＡ／Ｆとの関係について説明すると、図４に示すように、Ａ／Ｆと改質ガス温度は一次関数的な関係を有しており、Ａ／Ｆを増加させると改質ガス温度が直線的に増加することが判る。 Next, the ratio between the reformed gas temperature at the outlet of the fuel reformer 15a (the temperature detected by the temperature sensor 21), the air flow rate A supplied from the first air blower 17, and the fuel flow rate F supplied from the fuel pump 18. Referring to FIG. 4, the relationship between A / F and the reformed gas temperature has a linear function relationship. When the A / F is increased, the reformed gas temperature is increased. It can be seen that increases linearly.

次に、上述のように構成された本実施形態に係る燃料電池システム１００の処理手順について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。 Next, the processing procedure of the fuel cell system 100 according to the present embodiment configured as described above will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

初めにステップＳ１１において、制御部３１は、発電要求に基づいて燃料電池１１の発電出力目標を決定する。 First, in step S11, the control unit 31 determines a power generation output target of the fuel cell 11 based on the power generation request.

ステップＳ１２において、制御部３１は、ステップＳ１１の処理で決定した発電出力目標に基づき、燃料電池１１の目標温度、燃料改質器１５ａの目標温度、Ａ／Ｆの目標値、アノード極１１ｂの排気ガスを循環させる際の目標循環率を設定する。この際、各目標値は、発電出力毎に予め設定した値を用いることができる。 In step S12, the control unit 31 determines the target temperature of the fuel cell 11, the target temperature of the fuel reformer 15a, the target value of A / F, the exhaust of the anode 11b based on the power generation output target determined in the process of step S11. Set the target circulation rate for circulating gas. At this time, as each target value, a value set in advance for each power generation output can be used.

ステップＳ１３において、制御部３１は、ステップＳ１１，Ｓ１２の処理で設定した発電出力、温度、Ａ／Ｆ、改質ガス循環率に応じた、燃料基本流量、改質空気基本流量、循環基本流量、及び第２空気ブロワ２２により改質器加熱器１５ｂに供給する空気量（Ｃ_Ａ）を算出する。 In step S13, the control unit 31 determines the fuel basic flow rate, the reformed air basic flow rate, the basic circulation flow rate according to the power generation output, temperature, A / F, and reformed gas circulation rate set in the processing in steps S11 and S12. And the air quantity (C_A) supplied to the reformer heater 15b by the second air blower 22 is calculated.

ステップＳ１４において、制御部３１は、ステップＳ１３の処理で設定した各基本流量が実現するように、第１空気ブロワ１７、第２空気ブロワ２２、燃料ポンプ１８、燃料循環ブロワ１６の運転を制御する。更に、循環量調整バルブ１９の開度を調整する。 In step S14, the control unit 31 controls the operation of the first air blower 17, the second air blower 22, the fuel pump 18, and the fuel circulation blower 16 so that each basic flow rate set in the process of step S13 is realized. . Further, the opening degree of the circulation amount adjusting valve 19 is adjusted.

ステップＳ１５において、制御部３１は、温度センサ２１により、燃料改質器１５ａの出口の改質ガス温度（これを、Ｔoutとする）を測定する。本実施形態では、燃料改質器１５ａの出口におけるガス温度を改質装置１５の代表温度とするが、燃料改質器１５ａの温度、或いは改質器加熱器１５ｂの温度等を用いることも可能である。 In step S15, the control unit 31 uses the temperature sensor 21 to measure the reformed gas temperature at the outlet of the fuel reformer 15a (referred to as Tout). In this embodiment, the gas temperature at the outlet of the fuel reformer 15a is used as the representative temperature of the reformer 15. However, the temperature of the fuel reformer 15a or the temperature of the reformer heater 15b can also be used. It is.

ステップＳ１６において、制御部３１は、改質ガス温度の閾値Ｔ０を設定し、改質ガス温度Ｔoutが閾値Ｔ０を下回っているか否かを判断する。そして、下回っていない場合、即ち、Ｔout≧Ｔ０である場合（ステップＳ１６でＮＯの場合）には、本処理を終了する。他方、下回っている場合、即ち、Ｔout＜Ｔ０である場合（ステップＳ１６でＹＥＳの場合）には、ステップＳ１７に処理を進める。 In step S16, the control unit 31 sets the reformed gas temperature threshold T0, and determines whether the reformed gas temperature Tout is lower than the threshold T0. If it is not lower, that is, if Tout ≧ T0 (NO in step S16), this process is terminated. On the other hand, if it is below, that is, if Tout <T0 (YES in step S16), the process proceeds to step S17.

ステップＳ１７において、制御部３１は、閾値Ｔ０と改質ガス温度Ｔoutとの差分「Ｔ０−Ｔout」を求め、この差分に基づいて図４に示した特性曲線を参照して、Ａ／Ｆを選定する。そして、新たに設定されたＡ／Ｆとなるように、第１空気ブロワ１７より送出する空気流量、及び燃料ポンプ１８より送出する燃料流量を制御する。 In step S17, the control unit 31 obtains a difference “T0−Tout” between the threshold T0 and the reformed gas temperature Tout, and selects an A / F with reference to the characteristic curve shown in FIG. 4 based on this difference. To do. Then, the air flow rate sent from the first air blower 17 and the fuel flow rate sent from the fuel pump 18 are controlled so that the newly set A / F is obtained.

ステップＳ１８において、制御部３１は、温度センサ２１で検出される温度が、所定の温度（例えば、６５０℃）となるように、改質器加熱器１５ｂに供給する空気流量Ｃ_Ａを制御する。具体的には、第２空気ブロワ２２の回転数を制御することにより、該第２空気ブロワ２２より送出される空気の流量を制御する。 In step S18, the control unit 31 controls the air flow rate C_A supplied to the reformer heater 15b so that the temperature detected by the temperature sensor 21 becomes a predetermined temperature (for example, 650 ° C.). Specifically, the flow rate of the air sent from the second air blower 22 is controlled by controlling the rotation speed of the second air blower 22.

ステップＳ１９において、制御部３１は、ステップＳ１７，Ｓ１８で算出したＡ／Ｆ、及び改質器加熱器１５ｂに導入する空気量に基づき、図３に示した特性曲線に従って、循環ガス流量Ｒを設定する。そして、設定された循環ガス流量Ｒとなるように、燃料循環ブロワ１６、及び循環量調整バルブ１９の開度を制御する。この循環ガス流量Ｒを制御することにより、Ａ／Ｆを増加させることにより生じる水素（Ｈ2）量の低下を補うことができ、発電出力要求を維持することができる。 In step S19, the control unit 31 sets the circulating gas flow rate R according to the characteristic curve shown in FIG. 3 based on the A / F calculated in steps S17 and S18 and the amount of air introduced into the reformer heater 15b. To do. Then, the opening degree of the fuel circulation blower 16 and the circulation amount adjusting valve 19 is controlled so that the set circulation gas flow rate R is obtained. By controlling the circulating gas flow rate R, it is possible to compensate for the decrease in the amount of hydrogen (H2) caused by increasing the A / F, and to maintain the power generation output request.

ステップＳ２０において、制御部３１は、改質ガス温度Ｔoutが閾値Ｔ０を下回っているか否かを再度判断し、Ｔout≧Ｔ０である場合には、本処理を終了し、Ｔout＜Ｔ０である場合には、ステップＳ１７からの処理を実行し、Ｔout≧Ｔ０が成立するまで、この処理を繰り返す。こうして、燃料電池１１により所望の電力が出力されるように、改質装置１５の改質ガス温度が一定となるように制御することができるのである。 In step S20, the control unit 31 determines again whether or not the reformed gas temperature Tout is lower than the threshold value T0. If Tout ≧ T0, the process ends, and if Tout <T0. Executes the process from step S17 and repeats this process until Tout ≧ T0 is satisfied. Thus, the reformed gas temperature of the reformer 15 can be controlled to be constant so that desired power is output from the fuel cell 11.

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１１におけるアノード極１１ｂ（燃料極）の改質能力が低下した場合には、この低下状態を認識することができる。そして、改質能力が劣化した場合には、Ａ／Ｆを増加させることにより、燃料改質器１５ａの温度を所望の温度に保持することができるので、改質効率の低下、及びカーボン析出を招くこと無く、要求される発電電力を出力することができる。 Thus, in the fuel cell system 100 according to the present embodiment, when the reforming ability of the anode 11b (fuel electrode) in the fuel cell 11 is reduced, this reduced state can be recognized. When the reforming capability is deteriorated, the temperature of the fuel reformer 15a can be maintained at a desired temperature by increasing the A / F. The required generated power can be output without inviting.

即ち、Ａ／Ｆを増加させることにより、改質装置１５内部の発熱反応量を増加させることができるので、アノード極１１ｂ（燃料極）の出口ガス中の可燃ガスの濃度（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4）が低下することによる燃料改質器１５ａへの供給熱量の低下を補うことができ、改質装置１５の温度低下を防止できる。 That is, by increasing the A / F, the amount of exothermic reaction in the reformer 15 can be increased, so the concentration of combustible gas (H2, CO, CH4) in the outlet gas of the anode 11b (fuel electrode). ) Can be compensated for a decrease in the amount of heat supplied to the fuel reformer 15a, and a temperature decrease of the reformer 15 can be prevented.

また、アノード極１１ｂの改質能力の低下が検知された場合には、燃料循環基本流量を増加させることにより、Ａ／Ｆ増加により生じる水素量の低下を補うことができ、発電出力要求を維持することができる。 If a decrease in the reforming capacity of the anode 11b is detected, a decrease in the amount of hydrogen caused by an increase in A / F can be compensated for by increasing the fuel circulation basic flow rate, and the power generation output request is maintained. can do.

また、図３に示したように、発電出力、及びアノード極１１ｂの活性状態に関わらず、Ｆ／Ｃ_ＡとＲ／Ｃ_Ａとの関係は、温度を一定とした場合に、一次関数的に対応するので、この条件を用いることにより、改質装置１５と燃料電池１１との間の熱バランスを維持した状態で、要求される電力を出力することができる。 Further, as shown in FIG. 3, regardless of the power generation output and the active state of the anode 11b, the relationship between F / C_A and R / C_A corresponds to a linear function when the temperature is constant. Therefore, by using this condition, it is possible to output the required power while maintaining the heat balance between the reformer 15 and the fuel cell 11.

以上、本発明の燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。 Although the fuel cell system of the present invention has been described based on the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is replaced with an arbitrary configuration having the same function. Can do.

本発明は、燃料極の改質能力が低下した場合においても、要求される電力出力を得る上で極めて有用である。 The present invention is extremely useful for obtaining the required power output even when the reforming capability of the fuel electrode is lowered.

１１燃料電池
１１ａカソード極
１１ｂアノード極（燃料極）
１２第３空気ブロワ
１３空気加熱熱交換器
１５改質装置
１５ａ燃料改質器
１５ｂ改質器加熱器
１６燃料循環ブロワ
１７第１空気ブロワ
１８燃料ポンプ
１９循環量調整バルブ
２０循環ガス流量計
２１温度センサ
２２第２空気ブロワ
３１制御部
１００燃料電池システム
Ｌ１排気ガス流路 11 Fuel cell 11a Cathode electrode 11b Anode electrode (fuel electrode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 3rd air blower 13 Air heating heat exchanger 15 Reformer 15a Fuel reformer 15b Reformer heater 16 Fuel circulation blower 17 1st air blower 18 Fuel pump 19 Circulation amount adjustment valve 20 Circulating gas flow meter 21 Temperature Sensor 22 Second air blower 31 Control unit 100 Fuel cell system L1 Exhaust gas flow path

Claims

A reforming flow path layer, and reforming means including a combustion burner layer that heats the gas introduced into the reformed flow path layer by introducing a part of the anode exhaust gas discharged from the anode electrode of the fuel cell; ,
A fuel cell in which the reformed gas output from the reforming means is supplied to the anode electrode, air is supplied to the cathode electrode to generate electric power, and water vapor is generated in the anode electrode;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the reforming flow path layer or the reforming burner temperature;
Control means for detecting a decrease in reforming activity of the fuel cell based on the temperature detected by the temperature detecting means;
A fuel cell system comprising:

Fuel supply means for sending fuel to the reforming flow path layer of the reforming means, and first air supply means for sending air to the reforming flow path layer of the reforming means,
The control means increases A / F, which is a ratio of an air flow rate supplied from the first air supply means and a fuel flow rate supplied from the fuel supply means, in accordance with a decrease in reforming activity of the fuel cell. The fuel cell system according to claim 1, wherein:

A circulation means for circulating a part of the anode exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell to the reforming means as a circulation gas;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit performs control to increase a circulation amount of anode exhaust gas by the circulation unit in accordance with a decrease in reforming activity of the fuel cell.

Fuel supply means for sending fuel to the reforming flow path layer of the reforming means, and first air supply means for sending air to the reforming flow path layer of the reforming means;
A circulation means for circulating a part of the anode exhaust gas discharged from the anode electrode of the fuel cell to the reforming means as a circulation gas;
A second air supply means for mixing air with a part of the anode exhaust gas discharged from the anode electrode of the fuel cell and supplying the mixture to the combustion burner layer;
The control means includes
F / C_A which is the ratio of the fuel flow rate (F) supplied by the fuel supply means and the air flow rate (C_A) supplied by the second air supply means;
R / C_A which is a ratio of the flow rate (R) of the anode exhaust gas circulated by the circulation means and the air flow rate (C_A) supplied by the second air supply means;
Controlling the output flow rate of the first air supply means, the output flow rate of the fuel supply means, the circulation flow rate by the circulation means, and the output flow rate of the second air means based on the relationship under a constant temperature condition of The fuel cell system according to claim 1.