JP4021757B2 - Fuel cell power generation system and its operation stop method - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系ガスと水から高濃度の水素ガスを生成し、これを燃料として発電を行う燃料電池式発電システムの運転停止技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料となる水素ガスと空気中の酸素とを化学反応させて電気を取り出す。燃料電池が燃料とする水素ガスは、炭化水素系ガス（以下、原料ガスと称する）と水蒸気を改質触媒によって化学反応させて水蒸気改質することで得られる。改質触媒の効果を効率的に得るためには、改質触媒の種類によって多少の変動はあるものの、改質触媒の温度を約６００℃から８００℃前後の高温に保つ必要がある。原料ガスと水蒸気を反応させて水素ガスを生成する反応は吸熱反応であるので、改質触媒温度を約６００℃から８００℃前後に保つためには、燃焼器で改質器を加熱しつづける必要がある。
燃焼器は、炭化水素系ガス（以下、燃焼ガスと称する）の他、燃料電池で消費しきれなかった水素ガスを含むオフガス等を燃焼し、燃焼熱を発生させて改質器を高温にする。
【０００３】
燃料電池による発電を停止する際には、改質器と燃焼器の運転も停止させる。改質器には、炭化水素系ガスと水蒸気の改質反応を促進する改質触媒と、一酸化炭素を二酸化炭素に変えるシフト触媒と、それでも残った一酸化炭素を二酸化炭素に変える選択酸化触媒が収容されている。そのうちのシフト触媒は、一定温度以上に加熱された状態で酸素に触れると、酸化して劣化する。又、シフト触媒が吸湿すると、次回の発電開始時に昇温されることによって水分が気化して改質器を損傷する恐れがある。このために、シフト触媒の酸化と吸湿を防止する運転停止技術が必要となる。
従来は、改質器の運転停止直後に一旦原料ガスの供給を停止し、改質器内を水蒸気でパージし、生成された水素ガスを改質器内から排除して冷却する。シフト触媒が高温である間は水蒸気で覆われ、シフト触媒が酸素に触れないのでシフト触媒の酸化が防止される。シフト触媒の温度が酸化反応を起こさない温度にまで低下したとき（まだ水蒸気は結露しないとき）に、シフト触媒が吸湿するのを防止するために、水蒸気の供給を停止して原料ガス又は空気又は不活性ガスを改質器に供給し、水蒸気を改質器内から排除する。
改質器の運転停止時に、水蒸気と原料ガスを用いて改質器をパージする方法が特許文献１に記載されている。また、水蒸気と空気を用いて改質器をパージする方法が特許文献２に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１２−０９５５０４号公報
【特許文献２】
特開２００２−８７０１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池式発電システムの運転停止時に、改質器と燃料電池とこれらを接続する配管に対して水蒸気パージを行うと、これらの内部に存在していた高濃度水素ガス、オフガス、及び未反応の原料ガスが押し出され、燃焼器に到達する。燃焼器は停止直後で非常に高温であり、これらの可燃性ガスが高濃度で供給されると、燃焼ガスの供給を停止したあとも燃焼器で燃焼が継続してしまったり、あるいは再着火して爆着が発生したりして、改質器や燃焼器を損傷する恐れがある。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、燃料電池式発電システムの運転停止時に、燃焼器に押出される水素ガス、オフガス、及び／又は未反応の原料ガス等を安全に処理することが可能な燃料電池式発電システムとその運転停止方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段と作用】
請求項１の発明は、運転停止時の対策が施された燃料電池式発電システムに関するものであり、少なくとも、炭化水素系ガスと水から高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給装置と、燃焼器に燃焼用空気を供給する送風ファンと、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、燃料電池で発電に使用されなかった水素を含むオフガスを燃焼器に供給するオフガス経路と、燃料電池の発電停止命令を入力した時に、送風ファンの回転数を燃料電池が発電中の送風ファンの回転数よりも高く、かつ、燃焼器に供給される可燃性ガスを爆発限界以下の濃度に希釈する回転数に設定する送風ファンの回転数制御装置と、燃料電池の発電停止命令を入力した時に、ガス供給装置と燃焼ガス供給装置の運転を停止する材料供給制御装置とを備えている。
【０００７】
燃料電池の発電停止時には、改質器と燃料電池とこれらを接続する配管の内部が水蒸気によってパージされ、原料ガスや水素ガスやオフガス等の可燃性ガスが、改質器や燃料電池から燃焼器に押出される。このとき、送風ファンの回転数制御装置が送風ファンの回転数を燃料電池が発電中の送風ファンの回転数よりも高く、かつ、燃焼器に供給される可燃性ガスを爆発限界以下の濃度に希釈する回転数に設定することにより、送風ファンによって大量の空気が燃焼器に供給され、可燃性のガスの体積比率が爆発限界以下となるように希釈される。これにより、燃焼ガスの供給を停止した燃焼器で燃焼が継続したり、可燃性ガスに再着火して爆着したりすることを防止できる。
【０００８】
請求項２の燃料電池式発電システムは、少なくとも、炭化水素系ガスと水から高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給装置と、燃焼器に燃焼用空気を供給する送風ファンと、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、燃料電池で発電に使用されなかった水素を含むオフガスを燃焼器に供給するオフガス経路と、燃料電池の発電停止命令を入力した時に、送風ファンの回転数を燃料電池が発電中の送風ファンの回転数よりも高く、かつ、燃焼器に供給される可燃性ガスを爆発限界以下の濃度に希釈する回転数に設定する送風ファンの回転数制御装置と、燃料電池の発電停止命令を入力した時に、ガス供給装置と燃焼ガス供給装置の運転を停止して水供給装置の水供給量を制限する材料供給制御装置とを備えている。
【０００９】
燃料電池の運転停止時に改質器や燃料電池から燃焼器に押出される原料ガスや水素ガスやオフガスの量は、水供給装置から供給される水蒸気の量とほぼ等量となる。材料供給装置が水供給装置による水供給量を制限することにより、燃焼器に押出される原料ガスや水素ガスやオフガスの量が制限される。量が制限された状態で燃焼器に押出される原料ガスや水素ガスやオフガスは、回転数制御装置によって高い回転数に設定された送風ファンが供給する大量の空気によって確実に体積比率が爆発限界以下となるように希釈される。
【００１０】
請求項３の発明は、燃料電池式発電システムの運転停止方法であって、燃料電池による発電を停止する工程と、改質器への炭化水素系ガスの供給を停止する工程と、改質器に所定量の水を供給する工程と、前記燃焼器への燃焼ガスの供給を停止する工程と、送風ファンの回転数を発電時よりも高く、かつ、燃焼器に供給される可燃性ガスを爆発限界以下の濃度に希釈する回転数にする工程と、改質器に原料ガス又は空気又は不活性ガスを供給する工程と、送風ファンの回転を停止する工程とを含むことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に説明する実施例の主要な特徴を次に列記する。
（形態１）燃料電池式発電システムは、燃料電池と、燃料電池に供給する水素を発生させる改質器と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器に原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、水と原料ガスの供給量を制御する原料供給制御装置と、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼用空気を供給する送風ファンと、送風ファンの回転数を制御する回転数制御装置と、燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給装置から構成されている。
（形態２）形態１の燃焼器では、燃焼ガス供給装置から供給される燃焼ガスと、改質器から供給される水素ガスと、燃料電池から供給されるオフガスを燃焼させる。
（形態３）燃料電池の発電停止後に、回転数制御装置は、送風ファンの回転数を燃料電池の発電中よりも高く設定して送風ファンを高速回転させる。
（形態４）燃料電池の発電停止後に、水供給装置は、改質器に供給する水の流量を、発生する水蒸気量と送風ファンの回転能力に合わせて調整する。
【００１２】
【実施例】
以下に、本発明の燃料電池式発電システムの実施例を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
（第一実施例）
図１は、本発明の第一実施例に係わる、燃料電池式発電システムの構成を示している。本実施例の燃料電池式発電システムは、炭化水素系ガスと水から高濃度の水素ガスを発生させる改質器２と、改質器２に水を供給する水供給装置４と、改質器２に炭化水素系ガスを供給する原料ガス供給装置６と、改質器２を加熱する燃焼器８と、燃焼器８に燃焼用空気を供給する送風ファン１０と、燃焼器８に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給装置１４と、改質器２で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池１６とから構成されている。これらは互いに接続されており、発電を行うために必要な液体や気体の輸送が可能となっている。送風ファン１０には、回転数を制御する回転数制御装置１２が接続されており、水供給装置４と原料ガス供給装置６には、水と原料ガスの供給量を制御する材料供給制御装置２６が接続されている。
改質器２から燃料電池１６に水素ガスを供給する水素ガス供給経路１８から、バイパス経路２０が分岐しており、改質器２から供給される高濃度水素ガスを燃料電池１６を経由せずに燃焼器８に供給することも可能である。水素ガス供給経路１８とバイパス経路２０の開閉は、分岐箇所に設けられた制御弁２２によって行われる。燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスは燃焼器８に送られて燃焼する。
【００１３】
改質器２の内部では、改質触媒（図示されない）を用いた化学反応により、原料ガスと水とから水素ガスが生成する。本反応を安定して行うために、本実施例の改質器２の場合は、約７００℃以上の高温に維持する必要がある。改質器２を約７００℃に維持するために、改質器２を加熱する燃焼器８が用いられる。改質器２が必要とする熱量は発電中に変化するので、これに対応するために燃焼器８の燃焼量が制御される。燃焼器８が発電に必要な燃焼量で良好に燃焼し続け、発電停止時には安全に失火するためには、回転数制御装置１２によって送風ファン１０の回転数を制御し、燃焼器８への燃焼用空気供給量を燃焼ガスの供給量に対して好ましい量に常に制御する技術が重要である。
本実施例における燃料電池式発電システムの、起動から停止までの間における送風ファン１０の回転数と、改質器２の温度変化と、水供給装置４の水供給量を図２に示す。以下、図２を参照しながら、本燃料電池式発電システムとその運転停止方法について説明する。
【００１４】
本実施例の燃料電池式発電システムは、運転状況に応じて４つのモードに区分することができる。即ち、改質器２が加熱され始めてから改質に適した温度（本実施例の場合には約７００℃）に達するまでの加熱モード、改質器２で改質される改質ガス成分が安定するまでの安定化モード、改質器が安定的に供給する改質ガスを用いて燃料電池１６が発電する運転モード、発電運転の停止命令が出てから実際に停止するまでの停止モードの４モードに区分することができる。加熱モードの初期には点火処理が行われるが、点火処理を実施する点火モードは加熱モードの一部ということができる。
【００１５】
加熱モードでは、改質器２に炭化水素系ガスを供給しない。加熱モードの後半で改質器温度が相当程度に上昇したときに改質器２に水蒸気を供給し始める。水蒸気が供給されている改質器２の温度が改質に適した温度で安定すると改質器２に炭化水素系ガスを供給し始める。これによって安定化モードに切換わる。安定化モードではバイパス経路２０を開け、改質ガスを燃料電池１６に送らない。安定化モードでは、成分が安定しない改質ガスをバイパス経路２０から燃焼器８に送って改質ガスを燃焼させる。安定化モードを継続していると、改質ガスの成分が安定し、水素ガスの濃度が高くて一酸化炭素の濃度が極めて薄い状態で安定する。安定したときに、バルブ２２を切換えて改質ガスを燃料電池に送る。これによって運転モードに切換えられ、燃料電池１６が発電を開始する。
【００１６】
点火モードにおける燃焼器８は、確実に点火して燃焼を開始するために、少量の燃焼ガスと少量の燃焼用空気が供給されている状態で点火処理が行われる。回転数制御装置１２は、送風ファン１０の回転数を低速に制御し、少量の燃焼用空気を供給する。燃焼器８の点火が確認された後に、多量の燃焼ガスと多量の燃焼用空気を供給して改質器２を所定温度まで加熱する。加熱モードの途中で送風ファンの回転数を適度に下げる。この結果、改質器２の温度上昇率が緩やかになり、やがて改質器２は改質に適した温度で平衡する。加熱モードの途中で、水供給装置４から所定量の水が改質器２に供給され始める。炭化水素系ガスは供給されないために改質反応は生じない。
【００１７】
改質器２の温度が改質に適した温度で安定すると改質器２に炭化水素系ガスを供給し始める。これによって安定モードに切換わり、改質器２で改質反応が開始する。改質反応の開始直後には、改質ガスの成分と量が安定しないために、燃料電池１６に送らない。安定モードでは、成分が安定しない改質ガスをバイパス経路２０から燃焼器８に送って改質ガスを燃焼させ、改質ガスの成分と量が安定するのを待つ。
【００１８】
改質ガスの成分と量が安定した時点で、制御弁２２が切換えられ、燃料電池１６に至る水素ガス供給経路１８の経路を開としてバイパス経路２０を閉とする。水素ガスが燃料電池１６に供給されて発電が開始される。燃料電池式発電システムは運転モードとなる。
発電中の燃料電池１６からは、発電に使用されなかった水素を含むオフガスが燃焼器８に供給される。オフガスの水素含有量は、燃料電池１６の発電容量と発電負荷によって変化し、発電負荷が１００％の場合には体積率で約３０〜４０％の水素がオフガスに含まれる。燃焼器８は、燃焼ガス供給装置１４から供給される燃焼ガスと共に供給されたオフガスを燃焼させて、燃焼熱を改質器２に供給する。
【００１９】
発電の停止命令が出されると、燃料電池式発電システムは停止モードとなる。燃料電池１６で発電された電気を供給する回路のスイッチ２４が切られて、電気の供給が停止する。制御弁２２が全ての経路を開く。燃焼ガス供給装置１４が燃焼ガスの供給を停止するために燃焼器８は失火する。
材料供給制御装置２６は、原料ガス供給装置６による原料ガスの供給を停止し、水供給装置４による水供給量を制限する。水供給装置４によって改質器２に供給される水によって、改質器２と燃料電池１６と水素ガス供給経路１８とバイパス経路２０に残っている原料ガスや水素ガスやオフガスのパージが開始される。
【００２０】
水蒸気によってパージされる原料ガスや水素ガスやオフガスは可燃性であり、水素ガス供給経路１８やバイパス経路２０を経由して停止直後で高温の燃焼器８に到達した場合、再燃焼や再着火による爆着が発生し、改質器２や燃焼器８を損傷する恐れがある。そこで、送風ファン制御装置１２は、送風ファン１０の回転数を発電中よりも高く設定し、大量の空気を燃焼器８に供給することにより、可燃性のガスの比率が爆発限界以下となるように希釈する。水素ガスの爆発限界の下限値は体積比率で４％であるので、送風ファン１０は燃焼器８に供給される水素濃度がこの値よりも低くなるような多量の空気を供給する。
【００２１】
水蒸気の単位時間あたりの供給量と、燃焼器８に到達する可燃性のガスの単位時間あたりの供給量はほぼ等量となるので、送風ファン１０の最大送風能力で希釈可能な水素ガスの供給量と、燃焼器８に供給される可燃性ガス中の水素ガスの比率とから、水蒸気の単位時間あたりの供給量を決定することができる。
水蒸気によるパージで燃焼器８に供給される可燃性のガスの総量は、改質器２と燃料電池１６と水素ガス供給経路１８とバイパス経路２０の容量の合計量であるので、送風ファン１０の回転数を高く設定して水素ガスを希釈する時間は、水蒸気パージが行われる部分の容量を水蒸気の単位時間あたりの供給量で割ることで決定される。
【００２２】
本実施例における送風ファン１０の最大送風能力は、毎分１００リットルである。又、改質器２と燃料電池１６と水素ガス供給経路１８とバイパス経路２０の容量の合計値は、１０リットルである。停止モードの開始直前に、改質器２は改質負荷１００％で水素を毎分１９．３５リットル、二酸化炭素を毎分５．９３リットル、窒素を毎分０．７２リットルの割合で生成している。又、停止モードの開始直前に燃料電池１６は発電負荷１００％で運転しており、供給される水素の８０％を消費する。従って、水素毎分３．８７リットル、二酸化炭素毎分５．９３リットル、窒素毎分０．７２リットルから成るオフガスが燃焼器８に供給される。即ち停止モード直前に改質器２から供給される高濃度水素ガスの水素含有率は７４．４２％であり、燃料電池１６から出るオフガスの水素含有率は３６．７８％である。
水蒸気によるパージが開始されると燃焼器８にはまずオフガスが到達するが、その量は高濃度水素ガスに比較すると少量ですぐに高濃度水素ガスの供給が開始されるので、回転数制御装置１２は、オフガスが燃焼器８に供給される間も含めて、停止モードの開始と同時に送風ファン１０の回転数を高濃度水素ガスが供給された場合と同じ回転数に制御する。
【００２３】
毎分１００リットル供給される空気で、水素含有率７４．４２％の高濃度水素ガスを水素含有率が４％となるまで希釈する場合、供給可能な高濃度水素ガスの量Ｘは、以下の式から求められる。
（Ｘ×０．７４４２）÷（Ｘ＋１００）＝０．０４
即ち、毎分１００リットルの空気を供給することによって、毎分５．６８リットル以下で供給される高濃度水素ガスを爆発限界以下に希釈することができる。実際の燃料電池式発電システムでは、水蒸気によってパージされるガスの量と組成が変化することが考えられるので、計算上希釈が可能な高濃度水素ガスの供給量に対して１０％から２０％少ない量が燃焼器８に供給されるように、水蒸気の供給量を制御する。
本実施例に於ける材料供給制御装置２６は、停止モード開始後の水蒸気の供給量を毎分４．９８リットル、重量換算で毎分４グラムに制御した。この時供給される水素含有率７４．４２％の高濃度水素ガスを、水素含有率が４％となるまで希釈するために必要な空気量は、毎分８７．７リットルであり、空気供給量として１４％の安全率が考慮されている。
【００２４】
毎分４．９８リットルの水蒸気が供給されるので、空気容量１０リットルの燃料電池式発電システム内部は、約２分で原料ガスや水素ガスやオフガス等の可燃性ガスがほとんどパージされる。改質器２と燃料電池１６内に残っている可燃性ガスを完全にパージすると共に改質器２を冷却するために、材料供給制御装置２６は、引き続き水蒸気を供給する。一方、燃焼器に供給される可燃性ガスの濃度が希釈する必要がなくなるまで低下すると、回転数制御装置１２は、送風ファン１０の回転数を再び燃焼時と同等に低く制御し、燃焼器８と改質器２の冷却を行う。改質器２が、シフト触媒の酸化の起こらない温度まで冷却すると、材料供給制御装置２６は水蒸気の供給を停止し、原料ガスを供給する。原料ガスによって水蒸気がパージされて、シフト触媒の吸湿が防止される。燃料電池式発電システムの内部に原料ガスが充填されると、材料供給制御装置２６が原料ガスの供給を停止し、回転数制御装置１２が送風ファン１０を停止して、停止モードが完了する。
【００２５】
本実施例の燃料電池式発電システムは、発電中に停止命令が出されて停止モードとなったときに、回転数制御装置１２が送風ファン１０の回転数を発電中よりも高く設定し、大量の空気を燃焼器８に供給する。水蒸気によってパージされて燃焼器８に供給された可燃性の原料ガスや水素ガスやオフガスは、送風ファン１０が供給する空気によって、爆発限界よりも希釈される。パージを行う水蒸気量を調整して、送風ファン１０の最大送風能力内で充分希釈できる量の可燃性ガスを徐々に燃焼器８に供給することにより、可燃性ガスは確実に希釈されて安全に処理することができる。
本実施例の燃料電池式発電システムの構成は、従来の燃料電池式発電システムに対し、材料供給制御装置と回転数制御装置による新たな制御内容を加えるのみで構成することが可能であり、非常に簡易な手段を用いながら確実な運転停止方法を提供することができる。
【００２６】
（第二実施例） 発電開始前の安定化モードで運転停止命令が出された場合を、図３を参照しながら説明する。
【００２７】
安定化モードで運転停止命令が出される場合、制御弁２２はバイパス経路２０のみを開いており、高濃度水素ガスは燃焼器８に供給されて燃焼している。この状態で、燃料電池式発電システムに発電の停止命令が出されると、制御弁２２はバイパス経路２０のみが開いている状態を保って、改質器２と改質器２から燃焼器８に至る経路のパージが行われる。材料供給制御装置２６は原料ガス供給装置６による原料ガスの供給を停止し、水供給装置４の水供給量を再設定する。水供給装置４から改質器２に供給される水蒸気によって、原料ガスや水素ガスのパージが開始される。回転数制御装置１２は、送風ファン１０の回転数を最大に設定し、大量の空気を燃焼器８に供給することにより、水蒸気パージによって燃焼器８に供給される高濃度水素ガスの水素含有率が爆発限界の４％以下になるように希釈する。
【００２８】
本実施例の安定化モードでの改質器２の改質負荷は２０％で、停止直前の高濃度水素ガスの成分は、水素が毎分３．７９リットル、二酸化炭素が毎分１．２リットル、窒素が毎分０．３９リットルの成分から成っている。即ち、停止直前に生成されている高濃度水素ガスの水素含有率は、７０．４４％である。この高濃度水素ガスを、毎分１００リットル供給される空気で水素含有率が４％となるまで希釈する場合、供給可能な高濃度水素ガスの量Ｘは、以下の式から求められる。
（Ｘ×０．７０４４）÷（Ｘ＋１００）＝０．０４
即ち、１００リットルの空気供給によって、毎分６．０６リットル以下で供給される高濃度水素ガスを爆発限界以下に希釈することができる。実際の燃料電池式発電システムの安定モードに於いては、運転モードの場合に比較してパージされるガスの組成が変化することが考えられるので、計算上希釈が可能な高濃度水素ガスの供給量に対して、第１実施例よりもより少ない量が燃焼器８に供給されるように、水蒸気の供給量を制御する。
本実施例に於ける材料供給制御装置２６は、停止モード開始後の水蒸気の供給量を、運転モードから停止した場合と同様に毎分４．９８リットル、重量換算で毎分４グラムに制御した。この時供給される水素含有率７０．４４％の高濃度水素ガスを、水素含有率が４％となるまで希釈するために必要な空気量は、毎分８３リットルであり、空気供給量として２０％の安全率が考慮されている。
【００２９】
本実施例において水蒸気によるパージが行われるのは、改質器２と改質器２から燃焼器８に至る経路であり、燃料電池式発電システムの内部全体をパージするのよりも短時間で原料ガスや水素ガス等の可燃性ガスがパージされる。水蒸気を供給した状態で改質器２のシフト触媒が酸化しない温度にまで冷却されると、材料供給制御装置２６は水蒸気の供給を停止し、原料ガスを供給する。原料ガスによって水蒸気がパージされて、シフト触媒の吸湿が防止される。燃料電池式発電システムの内部に原料ガスが充填されると、材料供給制御装置２６が原料ガスの供給を停止し、回転数制御装置１２が送風ファン１０を停止して、停止モードが完了する。
【００３０】
本実施例の燃料電池式発電システムは、発電開始前の安定化モードで停止命令が出されて停止モードとなったときに、材料供給制御装置２６が水蒸気の供給量を制御し、回転数制御装置１２が送風ファン１０の回転数を増大させて大量の空気を燃焼器８に供給する。水蒸気によってパージされて燃焼器８に供給された可燃性の原料ガスや高濃度の水素ガスは、送風ファン１０が供給する空気によって爆発限界よりも希釈されて、安全に処理される。また、水蒸気によるパージが完了した後には、送風ファン１０の回転数を低くして、ファン駆動のために電力が無用に消費されることを防止しながら、安全に機器を冷却させていく。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、実施例の燃料電池式発電システムでは、水蒸気によるパージを行った後に原料ガスを改質器と燃料電池と配管経路内に充填しているが、空気若しくは不活性ガスを充填することもできる。又、実施例では燃焼器と改質器が個別の装置となっているが、同一の装置の中に、改質器と燃焼器が組み込まれていてもよい。その他、実施例の図中に示した供給路の配管や構成は、装置の構成によって自由に変更が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本願発明の燃料電池式発電システムと運転停止方法によると、燃料電池式発電システムの運転停止時に改質器とその配管に対して水蒸気によるパージを行う際に、送風ファンの回転数制御装置が送風ファンの回転数を発電中よりも高く設定し、大量の空気を燃焼器に供給する。水蒸気によってパージされて燃焼器に供給された可燃性の原料ガスや水素ガスやオフガスは、送風ファンが供給する空気によって、爆発限界よりも希釈される。パージを行う水蒸気量を調整することによって、送風ファンの最大送風能力内で充分希釈できる量の可燃性のガスが徐々に燃焼器に供給されて安全に処理されるようにすることができる。これにより、停止処理直後の高温の燃焼器に供給される可燃性ガスによって、再燃焼や再着火による爆着が発生して改質器や燃焼器を損傷することを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の燃料電池式発電システムの構成を模式的に示す図。
【図２】 実施例１の燃料電池式発電システムの起動から停止までの送風ファンの回転数と改質器の温度と水蒸気の供給量を模式的に示す図。
【図３】 実施例２の燃料電池式発電システムの起動から停止までの送風ファンの回転数と改質器の温度と水蒸気の供給量を模式的に示す図。
【符号の説明】
２：改質器
４：水供給装置
６：原料ガス供給装置
８：燃焼器
１０：送風ファン
１２：回転数制御装置
１４：燃料ガス供給装置
１６：燃料電池
１８：水素ガス供給経路
２０：バイパス経路
２２：制御弁
２４：スイッチ
２６：材料供給制御装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for stopping operation of a fuel cell power generation system that generates high-concentration hydrogen gas from a hydrocarbon-based gas and water and uses this as a fuel for power generation.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell takes out electricity by chemically reacting hydrogen gas as fuel and oxygen in the air. The hydrogen gas used as a fuel by the fuel cell is obtained by subjecting a hydrocarbon-based gas (hereinafter referred to as a raw material gas) and steam to a chemical reaction with a reforming catalyst to perform steam reforming. In order to obtain the effect of the reforming catalyst efficiently, it is necessary to keep the temperature of the reforming catalyst at a high temperature of about 600 ° C. to about 800 ° C., although there are some variations depending on the type of the reforming catalyst. Since the reaction for generating hydrogen gas by reacting the raw material gas with water vapor is an endothermic reaction, it is necessary to keep the reformer heated in the combustor in order to maintain the reforming catalyst temperature at about 600 ° C to about 800 ° C. There is.
The combustor burns off-gas containing hydrogen gas that could not be consumed by the fuel cell in addition to hydrocarbon gas (hereinafter referred to as combustion gas), and generates heat of combustion to raise the reformer to a high temperature. .
[0003]
When the power generation by the fuel cell is stopped, the operation of the reformer and the combustor is also stopped. The reformer includes a reforming catalyst that promotes the reforming reaction of hydrocarbon gas and steam, a shift catalyst that converts carbon monoxide to carbon dioxide, and a selective oxidation catalyst that still converts the remaining carbon monoxide to carbon dioxide. Is housed. Among them, the shift catalyst is oxidized and deteriorated when it is exposed to oxygen while being heated to a certain temperature or higher. In addition, when the shift catalyst absorbs moisture, the temperature is raised at the start of the next power generation, which may cause moisture to vaporize and damage the reformer. For this reason, an operation stop technique for preventing oxidation and moisture absorption of the shift catalyst is required.
Conventionally, the supply of the raw material gas is temporarily stopped immediately after the operation of the reformer is stopped, the interior of the reformer is purged with steam, and the generated hydrogen gas is excluded from the interior of the reformer and cooled. While the shift catalyst is at a high temperature, it is covered with water vapor, and the shift catalyst does not come into contact with oxygen, so that oxidation of the shift catalyst is prevented. In order to prevent the shift catalyst from absorbing moisture when the temperature of the shift catalyst is lowered to a temperature at which no oxidation reaction occurs (when water vapor is not yet condensed), the supply of water vapor is stopped and the raw material gas or air or Inert gas is supplied to the reformer and water vapor is removed from the reformer.
Patent Document 1 describes a method of purging a reformer using water vapor and a raw material gas when the reformer is stopped. Patent Document 2 describes a method of purging the reformer using water vapor and air.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-12-095504
[Patent Document 2]
JP 2002-8701 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When steam purge is performed on the reformer, the fuel cell, and the piping connecting them when the fuel cell power generation system is shut down, the high-concentration hydrogen gas, off-gas, and unreacted hydrogen that existed inside these components are removed. The source gas is pushed out and reaches the combustor. The combustor is very hot immediately after it stops, and if these combustible gases are supplied at a high concentration, the combustor may continue to burn after the supply of combustion gas is stopped, or it may reignite. There is a risk of explosion and damage to the reformer and combustor.
The present invention has been made in view of the above-described problems, and safely removes hydrogen gas, off-gas, and / or unreacted raw material gas, etc., extruded into the combustor when the operation of the fuel cell power generation system is stopped. The present invention provides a fuel cell power generation system that can be processed and a method for stopping the operation.
[0006]
[Means and Actions for Solving the Problems]
The invention of claim 1 relates to a fuel cell power generation system in which measures are taken when operation is stopped, and includes at least a reformer that generates high-concentration hydrogen gas from a hydrocarbon-based gas and water, and a reformer A gas supply device for supplying a hydrocarbon-based gas, a water supply device for supplying water to the reformer, a combustor for heating the reformer, a combustion gas supply device for supplying combustion gas to the combustor, A blower fan that supplies combustion air to the combustor, a fuel cell that generates power by reacting oxygen with the high-concentration hydrogen gas generated by the reformer, and an off-gas containing hydrogen that was not used for power generation in the fuel cell Off-gas supply path to the combustor and fuel cell When the power generation stop command is input, The rotation of the blower fan is set so that the rotation speed of the blower fan is higher than that of the blower fan generating power by the fuel cell and dilutes the combustible gas supplied to the combustor to a concentration below the explosion limit. Number control device and fuel cell When the power generation stop command is input, A gas supply device and a material supply control device for stopping the operation of the combustion gas supply device are provided.
[0007]
When the power generation of the fuel cell is stopped, the interior of the reformer, the fuel cell, and the piping connecting them is purged with water vapor, and the raw material gas, hydrogen gas, or off gas Combustible gas such as Is extruded from the reformer or fuel cell to the combustor. At this time, the rotational speed control device of the blower fan sets the rotational speed of the blower fan higher than the rotational speed of the blower fan that is generating power by the fuel cell. And the number of revolutions to dilute the combustible gas supplied to the combustor to a concentration below the explosion limit. By setting, a large amount of air is supplied to the combustor by the blower fan, and diluted so that the volume ratio of the combustible gas is less than the explosion limit. Thereby, it is possible to prevent the combustion from being continued in the combustor in which the supply of the combustion gas is stopped, or the recombustion of the combustible gas and the explosion.
[0008]
The fuel cell type power generation system according to claim 2 includes at least a reformer that generates high-concentration hydrogen gas from a hydrocarbon gas and water, a gas supply device that supplies the hydrocarbon gas to the reformer, and a reformer A water supply device for supplying water to the combustor, a combustor for heating the reformer, a combustion gas supply device for supplying combustion gas to the combustor, a blower fan for supplying combustion air to the combustor, and reforming A fuel cell that generates oxygen by reacting oxygen with the high-concentration hydrogen gas generated in the combustor, an off-gas path that supplies off-gas containing hydrogen that was not used for power generation in the fuel cell, and a fuel cell When the power generation stop command is input, The rotation of the blower fan is set so that the rotation speed of the blower fan is higher than that of the blower fan generating power by the fuel cell and dilutes the combustible gas supplied to the combustor to a concentration below the explosion limit. Number control device and fuel cell When the power generation stop command is input, A material supply control device that stops operation of the gas supply device and the combustion gas supply device to limit the amount of water supplied by the water supply device is provided.
[0009]
The amount of raw material gas, hydrogen gas, or off-gas extruded from the reformer or fuel cell to the combustor when the fuel cell is stopped is substantially equal to the amount of water vapor supplied from the water supply device. When the material supply device limits the amount of water supplied by the water supply device, the amount of raw material gas, hydrogen gas, or off-gas that is extruded into the combustor is limited. The raw material gas, hydrogen gas, and off-gas that are pushed into the combustor in a state where the amount is limited are reliably limited in volume ratio by the large amount of air supplied by the blower fan set at a high rotational speed by the rotational speed control device. Dilute to:
[0010]
The invention of claim 3 is a method of stopping the operation of the fuel cell type power generation system, the step of stopping the power generation by the fuel cell, the step of stopping the supply of hydrocarbon gas to the reformer, and the reformer Supplying a predetermined amount of water to Stopping the supply of combustion gas to the combustor; Increase the rotation speed of the fan And the number of revolutions to dilute the combustible gas supplied to the combustor to a concentration below the explosion limit. And a step of supplying a raw material gas or air or an inert gas to the reformer, and a step of stopping the rotation of the blower fan.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The main features of the embodiments described below are listed below.
(Embodiment 1) A fuel cell power generation system includes a fuel cell, a reformer that generates hydrogen to be supplied to the fuel cell, a water supply device that supplies water to the reformer, and a raw material gas that is supplied to the reformer Raw material gas supply device, raw material supply control device for controlling the supply amount of water and raw material gas, a combustor for heating the reformer, a blower fan for supplying combustion air to the combustor, and rotation of the blower fan It is comprised from the rotation speed control apparatus which controls a number, and the combustion gas supply apparatus which supplies combustion gas to a combustor.
(Mode 2) In the combustor of mode 1, the combustion gas supplied from the combustion gas supply device, the hydrogen gas supplied from the reformer, and the off-gas supplied from the fuel cell are burned.
(Mode 3) After stopping the power generation of the fuel cell, the rotation speed control device sets the rotation speed of the blower fan to be higher than that during the power generation of the fuel cell and rotates the blower fan at a high speed.
(Mode 4) After stopping the power generation of the fuel cell, the water supply device adjusts the flow rate of water supplied to the reformer in accordance with the amount of water vapor generated and the rotational capacity of the blower fan.
[0012]
【Example】
Embodiments of the fuel cell power generation system of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
(First Example)
FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell type power generation system according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell type power generation system according to the present embodiment includes a reformer 2 that generates high-concentration hydrogen gas from a hydrocarbon gas and water, a water supply device 4 that supplies water to the reformer 2, and a reformer. 2, a raw material gas supply device 6 for supplying hydrocarbon gas, a combustor 8 for heating the reformer 2, a blower fan 10 for supplying combustion air to the combustor 8, and a combustion gas for the combustor 8. The combustion gas supply device 14 is supplied, and the fuel cell 16 generates electricity by reacting oxygen with the high-concentration hydrogen gas generated by the reformer 2. These are connected to each other, and can transport liquids and gases necessary for power generation. A rotation speed control device 12 that controls the rotation speed is connected to the blower fan 10, and a material supply control device 26 that controls the supply amount of water and the raw material gas is connected to the water supply device 4 and the raw material gas supply device 6. Is connected.
A bypass path 20 branches from a hydrogen gas supply path 18 that supplies hydrogen gas from the reformer 2 to the fuel cell 16, and the high-concentration hydrogen gas supplied from the reformer 2 does not pass through the fuel cell 16. It is also possible to supply to the combustor 8. The hydrogen gas supply path 18 and the bypass path 20 are opened and closed by a control valve 22 provided at a branch point. The off-gas containing hydrogen that has not been consumed in the fuel cell is sent to the combustor 8 and combusted.
[0013]
Inside the reformer 2, hydrogen gas is generated from the raw material gas and water by a chemical reaction using a reforming catalyst (not shown). In order to carry out this reaction stably, in the case of the reformer 2 of this example, it is necessary to maintain the temperature at about 700 ° C. or higher. In order to maintain the reformer 2 at about 700 ° C., a combustor 8 for heating the reformer 2 is used. Since the amount of heat required by the reformer 2 changes during power generation, the amount of combustion in the combustor 8 is controlled to cope with this. In order for the combustor 8 to continue to burn well with the amount of combustion necessary for power generation and to misfire safely when power generation is stopped, the rotational speed of the blower fan 10 is controlled by the rotational speed control device 12 and combustion to the combustor 8 is performed. It is important to have a technique for constantly controlling the air supply amount to a preferable amount with respect to the combustion gas supply amount.
FIG. 2 shows the rotational speed of the blower fan 10, the temperature change of the reformer 2, and the water supply amount of the water supply device 4 in the fuel cell type power generation system according to the present embodiment from start to stop. Hereinafter, the fuel cell power generation system and its operation stop method will be described with reference to FIG.
[0014]
The fuel cell power generation system of the present embodiment can be divided into four modes according to the operating conditions. That is, the heating mode from when the reformer 2 starts to be heated until it reaches a temperature suitable for reforming (in the present embodiment, about 700 ° C.), the reformed gas component reformed by the reformer 2 The stabilization mode until stabilization, the operation mode in which the fuel cell 16 generates power using the reformed gas stably supplied by the reformer, and the stop mode from when the power generation operation stop command is issued until it is actually stopped. It can be divided into 4 modes. Although the ignition process is performed at the initial stage of the heating mode, the ignition mode for performing the ignition process can be said to be a part of the heating mode.
[0015]
In the heating mode, hydrocarbon gas is not supplied to the reformer 2. When the reformer temperature rises to a considerable extent in the latter half of the heating mode, supply of steam to the reformer 2 is started. When the temperature of the reformer 2 to which steam is supplied is stabilized at a temperature suitable for reforming, the hydrocarbon-based gas starts to be supplied to the reformer 2. This switches to the stabilization mode. In the stabilization mode, the bypass path 20 is opened and the reformed gas is not sent to the fuel cell 16. In the stabilization mode, the reformed gas whose components are not stabilized is sent from the bypass path 20 to the combustor 8 to burn the reformed gas. If the stabilization mode is continued, the components of the reformed gas become stable, and the hydrogen gas concentration is high and the carbon monoxide concentration is very thin. When stable, the valve 22 is switched to send the reformed gas to the fuel cell. As a result, the operation mode is switched, and the fuel cell 16 starts generating power.
[0016]
The combustor 8 in the ignition mode is ignited in a state where a small amount of combustion gas and a small amount of combustion air are supplied in order to reliably ignite and start combustion. The rotation speed control device 12 controls the rotation speed of the blower fan 10 at a low speed and supplies a small amount of combustion air. After the ignition of the combustor 8 is confirmed, a large amount of combustion gas and a large amount of combustion air are supplied to heat the reformer 2 to a predetermined temperature. The rotation speed of the blower fan is moderately lowered during the heating mode. As a result, the temperature rise rate of the reformer 2 becomes moderate, and eventually the reformer 2 equilibrates at a temperature suitable for reforming. In the middle of the heating mode, a predetermined amount of water starts to be supplied from the water supply device 4 to the reformer 2. Since the hydrocarbon gas is not supplied, the reforming reaction does not occur.
[0017]
When the temperature of the reformer 2 is stabilized at a temperature suitable for reforming, the hydrocarbon gas starts to be supplied to the reformer 2. As a result, the mode is switched to the stable mode, and the reformer 2 starts the reforming reaction. Immediately after the start of the reforming reaction, the components and amount of the reformed gas are not stable, and are therefore not sent to the fuel cell 16. In the stable mode, the reformed gas whose components are not stabilized is sent from the bypass path 20 to the combustor 8 to combust the reformed gas and waits for the components and amount of the reformed gas to be stabilized.
[0018]
When the component and amount of the reformed gas are stabilized, the control valve 22 is switched to open the hydrogen gas supply path 18 leading to the fuel cell 16 and close the bypass path 20. Hydrogen gas is supplied to the fuel cell 16 to start power generation. The fuel cell power generation system is in the operation mode.
Off-gas containing hydrogen that has not been used for power generation is supplied to the combustor 8 from the fuel cell 16 during power generation. The hydrogen content of the off gas varies depending on the power generation capacity and the power generation load of the fuel cell 16, and when the power generation load is 100%, hydrogen of about 30 to 40% by volume is included in the off gas. The combustor 8 burns off gas supplied together with the combustion gas supplied from the combustion gas supply device 14, and supplies combustion heat to the reformer 2.
[0019]
When a power generation stop command is issued, the fuel cell power generation system enters a stop mode. The switch 24 of the circuit for supplying electricity generated by the fuel cell 16 is turned off, and the supply of electricity is stopped. The control valve 22 opens all paths. The combustor 8 misfires because the combustion gas supply device 14 stops supplying the combustion gas.
The material supply control device 26 stops the supply of the source gas by the source gas supply device 6 and limits the amount of water supplied by the water supply device 4. Purging of the raw material gas, hydrogen gas, and off-gas remaining in the reformer 2, the fuel cell 16, the hydrogen gas supply path 18, and the bypass path 20 is started by the water supplied to the reformer 2 by the water supply device 4. The
[0020]
The raw material gas, hydrogen gas, or off-gas purged by water vapor is flammable, and when it reaches the high-temperature combustor 8 immediately after stopping via the hydrogen gas supply path 18 or the bypass path 20, it is caused by recombustion or reignition. Explosion may occur and the reformer 2 and the combustor 8 may be damaged. Therefore, the blower fan control device 12 sets the rotational speed of the blower fan 10 higher than that during power generation, and supplies a large amount of air to the combustor 8 so that the ratio of combustible gas is less than the explosion limit. Dilute to Since the lower limit value of the explosion limit of hydrogen gas is 4% by volume ratio, the blower fan 10 supplies a large amount of air so that the hydrogen concentration supplied to the combustor 8 is lower than this value.
[0021]
Since the supply amount of water vapor per unit time and the supply amount of combustible gas reaching the combustor 8 per unit time are substantially equal, supply of hydrogen gas that can be diluted with the maximum blowing capacity of the blower fan 10 The supply amount of water vapor per unit time can be determined from the amount and the ratio of hydrogen gas in the combustible gas supplied to the combustor 8.
The total amount of combustible gas supplied to the combustor 8 by purging with steam is the total amount of the capacity of the reformer 2, the fuel cell 16, the hydrogen gas supply path 18, and the bypass path 20. The time for diluting the hydrogen gas by setting the rotational speed high is determined by dividing the volume of the portion where the steam purge is performed by the supply amount of steam per unit time.
[0022]
The maximum blowing capacity of the blower fan 10 in this embodiment is 100 liters per minute. The total capacity of the reformer 2, the fuel cell 16, the hydrogen gas supply path 18 and the bypass path 20 is 10 liters. Immediately before the start of the stop mode, the reformer 2 generates hydrogen at 19.35 liters per minute, carbon dioxide at 5.93 liters per minute and nitrogen at a rate of 0.72 liters per minute at a reforming load of 100%. ing. Further, immediately before the start of the stop mode, the fuel cell 16 is operated at a power generation load of 100% and consumes 80% of the supplied hydrogen. Accordingly, off-gas comprising 3.87 liters of hydrogen per minute, 5.93 liters of carbon dioxide per minute, and 0.72 liters per minute of nitrogen is supplied to the combustor 8. That is, the hydrogen content of the high-concentration hydrogen gas supplied from the reformer 2 immediately before the stop mode is 74.42%, and the hydrogen content of the off-gas coming out of the fuel cell 16 is 36.78%.
When the purge with water vapor is started, the off-gas reaches the combustor 8 first, but since the amount thereof is smaller than that of the high-concentration hydrogen gas, the supply of the high-concentration hydrogen gas is started immediately. No. 12 controls the rotational speed of the blower fan 10 to the same rotational speed as when the high-concentration hydrogen gas is supplied simultaneously with the start of the stop mode, including when the off-gas is supplied to the combustor 8.
[0023]
When diluting a high concentration hydrogen gas with a hydrogen content of 74.42% with air supplied at 100 liters per minute until the hydrogen content becomes 4%, the amount X of the high concentration hydrogen gas that can be supplied is: It is obtained from the formula.
(X × 0.7442) ÷ (X + 100) = 0.04
That is, by supplying 100 liters of air per minute, the high-concentration hydrogen gas supplied at 5.68 liters or less per minute can be diluted below the explosion limit. In an actual fuel cell type power generation system, it is considered that the amount and composition of the gas purged by the water vapor change, so that it is 10% to 20% less than the supply amount of the high-concentration hydrogen gas that can be diluted by calculation. The supply amount of water vapor is controlled so that the amount is supplied to the combustor 8.
The material supply control device 26 in this example controlled the supply amount of water vapor after starting the stop mode to 4.98 liters per minute and 4 grams per minute in terms of weight. The amount of air required for diluting the high concentration hydrogen gas with a hydrogen content of 74.42% supplied at this time until the hydrogen content becomes 4% is 87.7 liters per minute, and the air supply amount As a result, a safety factor of 14% is considered.
[0024]
Since 4.98 liters of water vapor is supplied per minute, the inside of the fuel cell power generation system having an air capacity of 10 liters is almost purged of combustible gases such as raw material gas, hydrogen gas, and off gas in about 2 minutes. In order to completely purge the combustible gas remaining in the reformer 2 and the fuel cell 16 and cool the reformer 2, the material supply control device 26 continues to supply steam. On the other hand, when the concentration of the combustible gas supplied to the combustor decreases until it is not necessary to dilute, the rotational speed control device 12 again controls the rotational speed of the blower fan 10 to be as low as that at the time of combustion. And the reformer 2 is cooled. When the reformer 2 cools to a temperature at which the shift catalyst does not oxidize, the material supply control device 26 stops the supply of water vapor and supplies the raw material gas. Water vapor is purged by the raw material gas to prevent the shift catalyst from absorbing moisture. When the raw material gas is filled in the fuel cell type power generation system, the material supply control device 26 stops the supply of the raw material gas, the rotation speed control device 12 stops the blower fan 10, and the stop mode is completed.
[0025]
In the fuel cell power generation system of this embodiment, when a stop command is issued during power generation and the stop mode is entered, the rotation speed control device 12 sets the rotation speed of the blower fan 10 higher than that during power generation, Is supplied to the combustor 8. The combustible raw material gas, hydrogen gas, and off gas purged with water vapor and supplied to the combustor 8 are diluted below the explosion limit by the air supplied by the blower fan 10. By adjusting the amount of water vapor to be purged and gradually supplying an amount of combustible gas that can be sufficiently diluted within the maximum blowing capacity of the blower fan 10 to the combustor 8, the combustible gas is reliably diluted and safe. Can be processed.
The configuration of the fuel cell type power generation system of the present embodiment can be configured only by adding new control contents by the material supply control device and the rotation speed control device to the conventional fuel cell type power generation system. In addition, a reliable operation stop method can be provided using simple means.
[0026]
(2nd Example) The case where a driving | operation stop command is issued in the stabilization mode before a power generation start is demonstrated, referring FIG.
[0027]
When the operation stop command is issued in the stabilization mode, the control valve 22 opens only the bypass path 20, and the high-concentration hydrogen gas is supplied to the combustor 8 and burned. In this state, when a power generation stop command is issued to the fuel cell power generation system, the control valve 22 keeps only the bypass path 20 open, and the reformer 2 and the reformer 2 to the combustor 8. The purging of the route to reach is performed. The material supply control device 26 stops the supply of the raw material gas by the raw material gas supply device 6 and resets the water supply amount of the water supply device 4. Purging of the source gas and hydrogen gas is started by the water vapor supplied from the water supply device 4 to the reformer 2. The rotation speed control device 12 sets the rotation speed of the blower fan 10 to the maximum, and supplies a large amount of air to the combustor 8, so that the hydrogen content of the high-concentration hydrogen gas supplied to the combustor 8 by steam purge. Dilute to less than 4% of explosion limit.
[0028]
The reforming load of the reformer 2 in the stabilization mode of the present embodiment is 20%, and the components of the high-concentration hydrogen gas immediately before stopping are 3.79 liters per minute for hydrogen and 1.2 per minute for carbon dioxide. Liters, nitrogen is composed of 0.39 liters per minute. That is, the hydrogen content of the high-concentration hydrogen gas generated just before the stop is 70.44%. When this high-concentration hydrogen gas is diluted with air supplied at 100 liters per minute until the hydrogen content becomes 4%, the amount X of high-concentration hydrogen gas that can be supplied can be obtained from the following equation.
(X × 0.7044) ÷ (X + 100) = 0.04
That is, by supplying 100 liters of air, the high-concentration hydrogen gas supplied at 6.06 liters or less per minute can be diluted below the explosion limit. In the stable mode of an actual fuel cell power generation system, it is considered that the composition of the purged gas changes compared to the operation mode. The supply amount of water vapor is controlled so that an amount smaller than that in the first embodiment is supplied to the combustor 8.
In the present embodiment, the material supply control device 26 controls the water supply amount after the start of the stop mode to 4.98 liters per minute and 4 grams per minute in terms of weight in the same manner as when the operation mode is stopped. . The amount of air necessary for diluting the high concentration hydrogen gas having a hydrogen content of 70.44% supplied at this time until the hydrogen content reaches 4% is 83 liters per minute, and the amount of air supplied is 20 liters. % Safety factor is considered.
[0029]
In this embodiment, purging with water vapor is performed on the reformer 2 and the path from the reformer 2 to the combustor 8, and in a shorter time than purging the entire interior of the fuel cell power generation system. A combustible gas such as gas or hydrogen gas is purged. When the shift catalyst of the reformer 2 is cooled to a temperature that does not oxidize in a state where the steam is supplied, the material supply control device 26 stops supplying the steam and supplies the raw material gas. Water vapor is purged by the raw material gas to prevent the shift catalyst from absorbing moisture. When the raw material gas is filled in the fuel cell type power generation system, the material supply control device 26 stops the supply of the raw material gas, the rotation speed control device 12 stops the blower fan 10, and the stop mode is completed.
[0030]
In the fuel cell type power generation system of this embodiment, when the stop command is issued in the stabilization mode before the start of power generation and the stop mode is entered, the material supply control device 26 controls the supply amount of water vapor, and the rotational speed control. The device 12 increases the rotational speed of the blower fan 10 and supplies a large amount of air to the combustor 8. The combustible raw material gas and the high-concentration hydrogen gas purged with water vapor and supplied to the combustor 8 are diluted with the air supplied by the blower fan 10 from the explosion limit and processed safely. In addition, after the purge with water vapor is completed, the number of rotations of the blower fan 10 is lowered, and the device is cooled safely while preventing unnecessary power consumption for driving the fan.
[0031]
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. For example, in the fuel cell type power generation system of the embodiment, the raw material gas is filled in the reformer, the fuel cell, and the piping path after purging with water vapor, but it can also be filled with air or an inert gas. . In the embodiment, the combustor and the reformer are separate devices, but the reformer and the combustor may be incorporated in the same device. In addition, the piping and the configuration of the supply path shown in the drawings of the embodiments can be freely changed depending on the configuration of the apparatus.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell type power generation system and the operation stop method of the present invention, when the reformer and its piping are purged with steam when the fuel cell type power generation system is stopped, the rotation of the blower fan is performed. The number control device sets the rotational speed of the blower fan higher than that during power generation, and supplies a large amount of air to the combustor. The combustible raw material gas, hydrogen gas, or off gas purged with water vapor and supplied to the combustor is diluted below the explosion limit by the air supplied by the blower fan. By adjusting the amount of water vapor to be purged, an amount of combustible gas that can be sufficiently diluted within the maximum blowing capacity of the blower fan can be gradually supplied to the combustor and safely processed. This makes it possible to prevent the reformer and the combustor from being damaged due to recombustion or re-ignition caused by the combustible gas supplied to the high-temperature combustor immediately after the stop process. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell power generation system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram schematically showing the rotational speed of the blower fan, the temperature of the reformer, and the amount of steam supplied from the start to the stop of the fuel cell power generation system of Example 1.
3 is a diagram schematically showing the rotational speed of a blower fan, the temperature of a reformer, and the amount of water vapor supplied from the start to the stop of the fuel cell power generation system of Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
2: Reformer
4: Water supply device
6: Raw material gas supply device
8: Combustor
10: Blower fan
12: Rotational speed control device
14: Fuel gas supply device
16: Fuel cell
18: Hydrogen gas supply route
20: Bypass route
22: Control valve
24: Switch
26: Material supply control device

Claims (3)

炭化水素系ガスと水から高濃度水素ガスを生成する改質器と、
改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、
改質器に水を供給する水供給装置と、
改質器を加熱する燃焼器と、
燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給装置と、
燃焼器に燃焼用空気を供給する送風ファンと、
改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、
燃料電池で発電に使用されなかった水素を含むオフガスを燃焼器に供給するオフガス経路と、
燃料電池の発電停止命令を入力した時に、送風ファンの回転数を、燃料電池が発電中の送風ファンの回転数よりも高く、かつ、燃焼器に供給される可燃性ガスを爆発限界以下の濃度に希釈する回転数に設定する送風ファンの回転数制御装置と、
燃料電池の発電停止命令を入力した時に、ガス供給装置と燃焼ガス供給装置の運転を停止する材料供給制御装置と、
を備えた燃料電池式発電システム。A reformer that generates high-concentration hydrogen gas from hydrocarbon-based gas and water;
A gas supply device for supplying hydrocarbon gas to the reformer;
A water supply device for supplying water to the reformer;
A combustor for heating the reformer;
A combustion gas supply device for supplying combustion gas to the combustor;
A blower fan for supplying combustion air to the combustor;
A fuel cell for generating electricity by reacting oxygen with the high-concentration hydrogen gas generated in the reformer;
An off-gas path for supplying off-gas containing hydrogen that was not used for power generation in the fuel cell to the combustor;
When a fuel cell power generation stop command is input, the rotation speed of the blower fan is higher than the rotation speed of the blower fan that is generating power, and the concentration of flammable gas supplied to the combustor is below the explosion limit. The rotational speed control device of the blower fan set to the rotational speed to be diluted to
A material supply control device that stops operation of the gas supply device and the combustion gas supply device when a power generation stop command for the fuel cell is input;
A fuel cell power generation system with 炭化水素系ガスと水から高濃度水素ガスを生成する改質器と、
改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、
改質器に水を供給する水供給装置と、
改質器を加熱する燃焼器と、
燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給装置と、
燃焼器に燃焼用空気を供給する送風ファンと、
改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、
燃料電池で発電に使用されなかった水素を含むオフガスを燃焼器に供給するオフガス経路と、
燃料電池の発電停止命令を入力した時に、送風ファンの回転数を、燃料電池が発電中の送風ファンの回転数よりも高く、かつ、燃焼器に供給される可燃性ガスを爆発限界以下の濃度に希釈する回転数に設定する送風ファンの回転数制御装置と、
燃料電池の発電停止命令を入力した時に、ガス供給装置と燃焼ガス供給装置の運転を停止して水供給装置の水供給量を制限する材料供給制御装置と、
を備えた燃料電池式発電システム。A reformer that generates high-concentration hydrogen gas from hydrocarbon-based gas and water;
A gas supply device for supplying hydrocarbon gas to the reformer;
A water supply device for supplying water to the reformer;
A combustor for heating the reformer;
A combustion gas supply device for supplying combustion gas to the combustor;
A blower fan for supplying combustion air to the combustor;
A fuel cell for generating electricity by reacting oxygen with the high-concentration hydrogen gas generated in the reformer;
An off-gas path for supplying off-gas containing hydrogen that was not used for power generation in the fuel cell to the combustor;
When a fuel cell power generation stop command is input, the rotation speed of the blower fan is higher than the rotation speed of the blower fan that is generating power, and the concentration of flammable gas supplied to the combustor is below the explosion limit. The rotational speed control device of the blower fan set to the rotational speed to be diluted to
A material supply control device for stopping the operation of the gas supply device and the combustion gas supply device to limit the water supply amount of the water supply device when a power generation stop command for the fuel cell is input ;
A fuel cell power generation system with 炭化水素系ガスと水から高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼用空気を供給する送風ファンと、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、燃料電池で発電に使用されなかった水素を含むオフガスを燃焼器に供給するオフガス経路とを備えた燃料電池式発電システムの運転停止方法であって、
前記燃料電池による発電を停止する工程と、
前記改質器への炭化水素系ガスの供給を停止する工程と、
前記改質器に所定量の水を供給する工程と、
前記燃焼器への燃焼ガスの供給を停止する工程と、
前記送風ファンの回転数を発電時よりも高く、かつ、前記燃焼器に供給される可燃性ガスを爆発限界以下の濃度に希釈する回転数にする工程と、
前記改質器に原料ガス又は空気又は不活性ガスを供給する工程と、
前記送風ファンの回転を停止する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池式発電システムの運転停止方法。A reformer that generates high-concentration hydrogen gas from hydrocarbon gas and water, a combustor that heats the reformer, a blower fan that supplies combustion air to the combustor, and a high pressure generated by the reformer A fuel cell power generation system shutdown method comprising: a fuel cell that generates oxygen by reacting oxygen with hydrogen gas at a concentration; and an offgas path that supplies offgas containing hydrogen that has not been used for power generation in the fuel cell to a combustor. There,
Stopping power generation by the fuel cell;
Stopping the supply of hydrocarbon-based gas to the reformer;
Supplying a predetermined amount of water to the reformer;
Stopping the supply of combustion gas to the combustor;
A step of setting the rotational speed of the blower fan to a rotational speed higher than that during power generation and diluting the combustible gas supplied to the combustor to a concentration below the explosion limit;
Supplying a raw material gas or air or an inert gas to the reformer;
Stopping the rotation of the blower fan;
A method for stopping the operation of the fuel cell power generation system.

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