JP4559900B2 - Hydrogen fuel supply system - Google Patents
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Description
本発明は、例えば燃料電池に水素を含有する燃料ガスを供給するための水素燃料供給システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen fuel supply system for supplying a fuel gas containing hydrogen to a fuel cell, for example.
例えば水素を含有する燃料ガスを燃料電池に供給する水素燃料供給システムとして、炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成する改質工程と、再生用ガスを触媒燃焼することで改質工程で低下した触媒温度を上昇させる再生工程とを交互に繰り返すバッチ式炭化水素改質を行うシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この文献記載のシステムでは、改質工程と再生工程とを行い得る一対の反応器を備えており、一方の反応器が改質工程を行っている間に他方の反応器が再生工程を行うことで、バッチ式に炭化水素改質を行いながら水素含有ガスを連続的に燃料電池に供給するようになっている。
ところで、設計上又は運転上の理由によって反応器内には、改質工程から再生工程に切り換えられる際に、再生用ガスの自己着火温度以上の温度となる高温部分が生じる場合がある。このような高温部分に再生用ガスが供給されると、再生用ガスが自己着火して気相燃焼が発生し、この気相燃焼が高速で再生用ガスの上流側に伝播して逆火現象を引き起こす恐れがある。このような逆火現象は、急激な温度上昇に伴う熱ひずみによる反応器等の破損、燃焼火炎被曝部位の溶断などにより、水素燃料供給システムの構成部材の寿命を著しく低下させる原因となる。 By the way, when switching from the reforming process to the regeneration process, there may be a high-temperature portion in the reactor that is higher than the self-ignition temperature of the regeneration gas. When the regeneration gas is supplied to such a high-temperature part, the regeneration gas self-ignites and gas-phase combustion occurs, and this gas-phase combustion propagates to the upstream side of the regeneration gas at a high speed and causes a flashback phenomenon. There is a risk of causing. Such a flashback phenomenon causes the life of the components of the hydrogen fuel supply system to be remarkably reduced due to damage to the reactor or the like due to thermal strain accompanying a rapid temperature rise, and fusing of the site exposed to the combustion flame.
本発明は、上記事実を考慮して、再生工程を行う反応器等が気相燃焼による損傷を被ることを防止することができる水素燃料供給システムを得ることが目的である。 In view of the above fact, an object of the present invention is to provide a hydrogen fuel supply system capable of preventing a reactor or the like performing a regeneration process from being damaged by gas phase combustion.
上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る水素燃料供給システムは、供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを触媒燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な反応器と、前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第１の状態と、前記反応器に前記再生用ガス及び燃焼用酸素含有ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第２の状態とを切り換えるための切換装置と、前記反応器に前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように前記切換装置を切り換えると共に、前記第２の状態に切り換える際には、前記反応器への前記酸素含有ガスの供給が開始されてから所定時間経過後に該反応器への前記再生用ガスの供給が開始されるように前記切換装置を切り換える制御装置と、を備え、前記所定時間が、前記反応器への前記酸素含有ガスの供給が開始されてから前記反応器における前記再生用ガスが供給される部分の温度が前記酸素含有ガスの供給によって該再生用ガスの自己着火が生じ得る下限温度未満に低下するのに要する時間とされている。
In order to achieve the above object, a hydrogen fuel supply system according to
請求項１記載の水素燃料供給システムでは、制御装置が切換装置を制御して反応器の第１の状態と第２の状態とを切り換えることで、１つ又は複数の反応器内で、それぞれ供給された原料を所定範囲の温度下で反応させて水素を含有する燃料ガスを生成し排出する改質工程と、再生用ガスを触媒燃焼させることで改質工程で低下した温度を上昇させると共に蓄熱を行い、再生排ガスを排出する再生工程とが交互に行われる。第１の状態から第２の状態に切り換える際、すなわち反応器を改質工程から再生工程に切り換える際には、制御装置が切換装置を制御することで、先ず酸素含有ガスが反応器内に供給され、その後燃料である再生用ガスが反応器内に供給される。これにより、反応器内における酸素含有ガスによって冷却された部分に再生用ガスが供給されることとなり、再生用ガスの自己着火及びすなわち気相燃焼の発生を抑制することができる。
The hydrogen fuel supply system according to
このように、請求項１記載の水素燃料供給システムでは、再生工程を行う反応器等が気相燃焼による損傷を被ることを防止することができる。 Thus, in the hydrogen fuel supply system according to the first aspect, it is possible to prevent the reactor or the like that performs the regeneration process from being damaged by the gas phase combustion.
また、本水素燃料供給システムでは、第１の状態から第２の状態に切り換える際、すなわち反応器を改質工程から再生工程に切り換える際には、制御装置が切換装置を制御することで、先ず酸素含有ガスが反応器内に供給され、この酸素含有ガスの供給開始から所定時間の経過後に再生用ガスが反応器内に供給される。この所定時間の経過によって、反応器内における再生用ガスが供給される部分の温度は、反応器内に供給される酸素含有ガスにて冷却されて再生用ガスが自己着火を生じる下限温度未満に低下しているため、再生用ガスの自己着火及びすなわち気相燃焼の発生を効果的に抑制（予防）することができる。 In the hydrogen fuel supply system, when switching from the first state to the second state, that is, when switching the reactor from the reforming step to the regeneration step, the control device controls the switching device, An oxygen-containing gas is supplied into the reactor, and a regeneration gas is supplied into the reactor after a lapse of a predetermined time from the start of supply of the oxygen-containing gas. As the predetermined time elapses, the temperature of the portion of the reactor to which the regeneration gas is supplied is below the lower limit temperature at which the regeneration gas is cooled by the oxygen-containing gas supplied into the reactor and causes the regeneration gas to self-ignite. Since it is lowered, it is possible to effectively suppress (prevent) the self-ignition of the regeneration gas and the occurrence of gas phase combustion.
以上説明したように本発明に係る水素燃料供給システムは、再生工程を行う反応器等が気相燃焼による損傷を被ることを防止することができるという優れた効果を有する。 As described above, the hydrogen fuel supply system according to the present invention has an excellent effect that the reactor or the like that performs the regeneration process can be prevented from being damaged by gas phase combustion.
本発明の第１の実施形態に係る水素燃料供給システム１２が適用された燃料電池システム１０について、図面に基づいて説明する。先ず、本発明の燃料電池システム１０の全体構成を説明し、次いで本発明の要部である反応器１８の改質工程から再生工程への切り換え時の制御について説明することとする。
A
（燃料電池システム構成）
図２には、燃料電池システム１０のシステム構成図（システムフローシート）が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム１０は、水素燃料供給システム１２と、水素燃料供給システム１２から水素燃料の供給を受けて発電を行う燃料電池１４と、水素燃料供給システム１２と燃料電池との間で熱交換を行う熱交換器１６とを主要構成要素として構成されている。
(Fuel cell system configuration)
FIG. 2 shows a system configuration diagram (system flow sheet) of the
水素燃料供給システム１２は、一対の反応器１８を備えている。一対の反応器１８は、それぞれ筒状に形成されたハウジングの内部に改質触媒を配設して構成されており、おり、それぞれ供給される炭化水素ガス（ガソリン、メタノール、天然ガス等）と改質用ガス（水蒸気、酸素）を触媒反応させることで、水素ガスを含む燃料ガスを生成する（改質反応を行う）ようになっている。改質反応は、以下の式（１）乃至（４）で表される各反応を含む。したがって、改質工程で得た燃料ガスには、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ4）、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素（ＣxＨy）等の可燃性ガス、二酸化炭素（ＣＯ2）、水（Ｈ2Ｏ）等の不燃性ガスを含むようになっている。
The hydrogen
ＣnＨm＋ｎＨ2Ｏ → ｎＣＯ ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ2 … （１）
ＣnＨm＋ｎ／２Ｏ2 → ｎＣＯ ＋ ｍ／２Ｈ2 … （２）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ ⇔ ＣＯ2＋Ｈ2 … （３）
ＣＯ＋３Ｈ2 ⇔ ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ … （４）
この改質反応は、所定の温度以上（本実施形態では、７００℃）で行われるようになっている。そして、各反応器１８は、改質反応によって低下した触媒温度を上昇するために、改質反応とは独立して、供給された再生用ガスと酸素とを反応させて触媒を加熱すると共に該触媒に蓄熱する再生反応を行うようになっている。この実施の形態では、再生用ガス（後述するアノードオフガス）を燃焼することで、各反応器１８の触媒を上記した改質反応を行い得る温度まで昇温する構成としている。したがって、各反応器１８は、改質反応と再生反応とを選択的に行い得る構成である。各反応器１８の内部構造については後述する。
C n H m + nH 2 O → nCO + (n + m / 2) H 2 ... (1)
C n H m + n / 2O 2 → nCO + m /
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (3)
CO + 3H 2 ＣＨ CH 4 + H 2 O (4)
This reforming reaction is performed at a predetermined temperature or higher (in this embodiment, 700 ° C.). Each
燃料電池１４は、水素燃料供給システム１２からアノード電極（水素極）に供給される上記改質反応によって得た燃料ガス（水素、一酸化炭素、及び未反応の炭化水素を含むガス）と、カソード電極（酸素極）に供給される酸素とを電気化学的反応させることで発電を行う構成とされている。この実施形態では、燃料電池１４は、アノード電極とカソード電極との間に水素分離膜が設けられた水素分離膜式燃料電池（ＨＭＦＣ）とされており、上記燃料ガスのうち水素分離膜を透過した水素のみをカソード極の酸素と反応させる（すなわち、燃料ガスのうち水素ガスのみを発電に用いる）ようになっている。このため、燃料電池１４のアノードオフガスは、主に一酸化炭素及び炭化水素（水素を含む場合もある）が混合した可燃性ガスである。一方、燃料電池１４のカソードオフガスは、酸素と水素との反応によって生成された水（水蒸気）及び酸素を含む空気である。
The
そして、各種ガスの流れについては後述するが、燃料電池システム１０では、上記アノードオフガスを反応器１８の再生用ガスとして利用するようになっている。また、燃料電池システム１０では、カソードオフガスが含む水蒸気及び酸素を、上式（１）、（２）の如く改質反応ガスである炭化水素ガスと反応させるようになっている。さらに、燃料電池１４は、その反応温度を略一定（この実施形態では略４００℃〜５００℃の間の一定温度）に保つために冷却用空気にて冷却される構成とされている。燃料電池１４を冷却して昇温された冷却用空気は、再生反応を行うための支燃ガスである酸素含有ガス、すなわち燃焼用空気として利用されるようになっている。したがって、燃料電池システム１０は、基本的には炭化水素原料と、カソード用及び冷却用の空気とを供給するだけで作動するようになっている。
The flow of various gases will be described later. In the
熱交換器１６は、燃料電池１４のアノード電極に供給される高温ガスとしての燃料ガス（７００℃）と、低温ガスとしてのカソードオフガス（４００℃〜５００℃）との熱交換を行い、燃料電池システムの熱効率を向上するようになっている。
The
水素燃料供給システム１２は、一対の反応器１８への改質反応ガス（炭化水素ガス、水蒸気、酸素）の流路、改質反応によって生成された燃料ガスの流路、再生用ガス及び燃焼用空気の各流路、並びに再生排ガスの流路を切り換えるための切換装置２０を備えている。以下の説明では、２つの反応器１８を区別する場合に、各図の紙面上側に示す一方の反応器１８を第１反応器１８Ａ、他方の反応器１８を第２反応器１８Ｂということとする。
The hydrogen
切換装置２０は、第１反応器１８Ａに改質反応ガスを供給して改質反応を行わせている期間に第２反応器１８Ｂに再生用ガス及び酸素を供給して再生反応を行わせる状態と、第１反応器１８Ａに再生用ガス及び酸素を供給して再生反応を行わせている期間に第２反応器１８Ｂに改質反応ガスを供給して改質反応を行わせる状態とを切り換える構成とされている。以下、切換装置２０の具体的構成例を説明する。なお、以下の説明では、反応器１８が改質反応を行っている状態（期間）を改質工程、反応器１８が再生反応を行っている状態（期間）を再生工程という場合がある。
The
図２に示される如く、水素燃料供給システム１２は、原料供給ライン２１備えており、原料供給ライン２１上には、図示しない燃料タンクから液体の炭化水素原料を供給する燃料ポンプ２２が配置されている。原料供給ライン２１における燃料ポンプ２２の下流には、蒸発器（気化器）２４が配置されており、例えば燃料電池システム１０の排ガスとの熱交換によって炭化水素原料を蒸発させるようになっている。また、原料供給ライン２１における蒸発器２４の下流には、混合器２６が配置されている。混合器２６は、炭化水素燃料と後述するカソードオフガス（式（１）の水蒸気及び式（２）の酸素）とを混合して、改質反応ガスとして下流に排出するようになっている。なお、カソードオフガスが高温であることから、液体の炭化水素原料を混合器２６内に噴射する構成（インジェクション）を採用することで、蒸発器２４を備えない構成とすることも可能である。さらに、蒸発器２４と混合器２６との間には、炭化水素原料遮断手段としてのバルブＶ０が配設されている。
As shown in FIG. 2, the hydrogen
原料供給ライン２１の下流端には、環状のブリッジ管路２８が接続されている。このブリッジ管路２８には、４つのバルブＶ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ２Ａが各図において反時計回りにこの順で直列に配置されている。原料供給ライン２１の下流端は、ブリッジ管路２８におけるバルブＶ１ＡとバルブＶ１Ｂとの間に接続されている。ブリッジ管路２８におけるバルブＶ２ＡとバルブＶ２Ｂとの間には、排気ライン３０の上流端が接続されている。排気ライン３０上には、排気処理器３２が配置されている。排気処理器３２は、ハウジング内に酸化触媒を内蔵して構成されており、再生反応で燃焼しなかった再生用ガスを酸化処理（浄化）するようになっている。排気ライン３０の下流端は、排気口３０Ａとされている。また、排気ライン３０における排気処理器３２の下流からは、排気戻しライン３４が分岐しており、排気戻しライン３４は混合器２６に排ガスを導入可能に接続されている。排気戻しライン３４にはバルブＶ３が配設されている。なお、この基本構成に係る燃料電池システム１０では、排気処理器３２を備えなくても良い。
An
また、ブリッジ管路２８におけるバルブＶ１ＡとバルブＶ２Ａとの間からは、一端が第１反応器１８Ａの第１出入口１８Ｃに接続された第１ライン３６Ａの他端が接続されている。さらに、ブリッジ管路２８におけるバルブＶ１ＢとバルブＶ２Ｂとの間からは、一端が第２反応器１８Ｂの第１出入口１８Ｄに接続された第２ライン３６Ｂの他端が接続されている。第１ライン３６Ａ、第２ライン３６Ｂは、それぞれ改質反応を行う第１反応器１８Ａ、第２反応器１８Ｂへの上記改質反応ガスの供給用、再生反応を行う第１反応器１８Ａ、第２反応器１８Ｂからの再生排ガスの排出用として、選択的に用いられるようになっている。
Further, the other end of the
さらに、第１反応器１８Ａにおける第１出入口１８Ｃと反対側（ガス流れ方向の反対側）に配置された第２出入口１８Ｅには、第３ライン３８Ａの一端が接続されており、第２反応器１８Ｂにおける第１出入口１８Ｄと反対側に配置された第２出入口１８Ｆには、第４ライン３８Ｂの一端が接続されている。第３ライン３８Ａ、第４ライン３８Ｂの各他端は、それぞれ環状のブリッジ管路４０に接続されている。このブリッジ管路４０には、４つのバルブＶ５Ａ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ｂ、Ｖ６Ａが各図において反時計回りにこの順で直列に配置されている。第３ライン３８Ａの他端は、ブリッジ管路４０におけるバルブＶ５ＡとバルブＶ６Ａとの間に接続されており、第４ライン３８Ｂの他端は、ブリッジ管路４０におけるバルブＶ５ＢとバルブＶ６Ｂとの間に接続されている。
Furthermore, one end of a
このブリッジ管路４０におけるバルブＶ６ＡとバルブＶ６Ｂとの間には、燃料ガス供給ライン４２の一端が接続されている。燃料ガス供給ライン４２の他端は、熱交換器１６の高温ガス入口１６Ａ（燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａ）に接続されている。また、ブリッジ管路４０におけるバルブＶ５ＡとバルブＶ５Ｂとの間には、再生用ガス導入ライン４４の一端が接続されている。再生用ガス導入ライン４４の他端は、燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂに接続されている。
One end of a fuel
また、燃料ガス供給ライン４２からは、下流端が排気口４６Ａである排気ライン４６が分岐しており、排気ライン４６上には、排気処理器４８が配置されている。排気処理器４８は、ハウジング内に酸化触媒を内蔵して構成されており、基本的には水素燃料供給システム１２のスタートアップ時の排ガス（燃焼ガス）を浄化するようになっている。排気ライン４６における排気処理器４８の上流にはバルブＶ７が配設されている。
An
さらに、切換装置２０は、一端が混合器２６に接続され、該混合器２６に水蒸気及び酸素を供給する水蒸気供給ライン５０を備えている。水蒸気供給ライン５０は、その他端が熱交換器１６の低温ガス出口１６Ｄに接続されており、燃料電池１４のカソードオフガスを混合器２６に送給するようになっている。水蒸気供給ライン５０上にはバルブＶ９が配設されている。
Furthermore, the switching
また、切換装置２０は、一端が第１反応器１８Ａにおける第２出入口１８Ｅに接続された燃焼用空気供給ライン５２Ａ、及び一端が第２反応器１８Ｂにおける第２出入口１８Ｆに接続された燃焼用空気供給ライン５２Ｂを備えている。燃焼用空気供給ライン５２Ａ上にはバルブＶ４Ａが配設されており、燃焼用空気供給ライン５２Ｂ上にはバルブＶ４Ｂが配設されている。燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂの各他端（上流端）は、それぞれ一端が燃料電池１４の冷却用空気出口１４Ｆに接続された冷却用空気排出ライン５４の他端に接続されている。
The switching
この冷却用空気排出ライン５４からは、下流端が排気口５６Ａである排気ライン５６が分岐しており、排気ライン５６上にはバルブＶ８が配設されている。バルブＶ８は、任意の弁開度を取り得る構成とされており、この弁開度に応じて、排気ライン５６による排気量、すなわち燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂを通じて反応器１８に供給する燃焼用空気の供給量を調整可能とされている。
An
さらに、切換装置２０は、一端が第３ライン３８Ａから分岐すると共に他端が第１反応器１８Ａの筒壁における第２出入口１８Ｅ側に配置された再生用ガス入口１８Ｇに接続された再生用ガスライン５５Ａと、一端が第４ライン３８Ｂから分岐すると共に他端が第２反応器１８Ｂの筒壁における第２出入口１８Ｆ側に配置された再生用ガス入口１８Ｈに接続された再生用ガスライン５５Ｂとを備えている。第３ライン３８Ａにおける再生用ガスライン５５Ａの分岐部３８Ｃと、第１反応器１８Ａとの間には、該分岐部３８Ｃ側から第２出入口１８Ｅへのガス流入を阻止する逆止弁ＣＶ１Ａが配設されている。また、再生用ガスライン５５Ａにおける分岐部３８Ｃと再生用ガス入口１８Ｇとの間には、該再生用ガス入口１８Ｇ側から分岐部３８Ｃ側へのガス流入を阻止する逆止弁ＣＶ２Ａが配設されている。同様に、第４ライン３８Ｂにおける再生用ガスライン５５Ｂの分岐部３８Ｄと、第２反応器１８Ｂとの間には、該分岐部３８Ｄ側から第２出入口１８Ｆへのガス流入を阻止する逆止弁ＣＶ１Ｂが配設されている。また、再生用ガスライン５５Ｂにおける分岐部３８Ｄと再生用ガス入口１８Ｈとの間には、該再生用ガス入口１８Ｈ側から分岐部３８Ｄ側へのガス流入を阻止する逆止弁ＣＶ２Ｂが配設されている。
Further, the switching
これらにより、第１反応器１８Ａからブリッジ管路４０側に排出されるガスは、第２出入口１８Ｅ、第３ライン３８Ａ（逆止弁ＣＶ１Ａ）を経由してブリッジ管路４０に至り、ブリッジ管路４０側から第１反応器１８Ａ側に流れるガス（再生用ガス）は、第３ライン３８Ａ、再生用ガスライン５５Ａ（逆止弁ＣＶ２Ａ）、再生用ガス入口１８Ｇを経由して第１反応器１８Ａに至るようになっている。同様に、第２反応器１８Ｂからブリッジ管路４０側に排出されるガスは、第２出入口１８Ｆ、第４ライン３８Ｂ（逆止弁ＣＶ１Ｂ）を経由してブリッジ管路４０に至り、ブリッジ管路４０側から第１反応器１８Ａ側に流れるガスは、第４ライン３８Ｂ、再生用ガスライン５５Ｂ（逆止弁ＣＶ２Ｂ）、再生用ガス入口１８Ｈを経由して第２反応器１８Ｂに至るようになっている。このため、改質工程で生成された燃料ガスは第２出入口１８Ｅ、１８Ｆから排出され、再生工程の燃料となる再生用ガスは、反応器１８内における燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂから第１出入口１８Ｃ、１８Ｄ側に向かう燃焼用空気の流れに対し交差する方向から供給される構成とされている。したがって、再生用ガスと燃焼用空気とは反応器１８よりも上流で予混合されないようになっている。
As a result, the gas discharged from the
以上説明した切換装置２０は、バルブＶ１Ａ、Ｖ１Ｂの開閉に応じて一対の反応器１８への改質反応ガス（炭化水素ガス、水蒸気、酸素）の流路を切り換え、バルブＶ６Ａ、Ｖ６Ｂの開閉に応じて改質反応によって生成された燃料ガスの流路を切り換え、バルブＶ５Ａ、Ｖ５Ｂの開閉に応じて再生用ガス（アノードオフガス）の流路を切り換え、バルブＶ４Ａ、Ｖ４Ｂの開閉に応じて燃焼用空気（冷却用空気）の流路を切り換え、バルブＶ２Ａ、Ｖ２Ｂの開閉に応じて再生排ガスの流路を切り換えるようになっている。各バルブは電磁弁とされており、後述する制御装置７０からの作動信号に基づいて開閉する（バルブＶ８は弁開度の調節）を行う構成である。切換装置２０のバルブ開閉による切り換え動作、すなわち水素燃料供給システム１２の具体的な動作については、燃料電池システム１０の基本動作として後述する。なお、上記した各逆止弁ＣＶ１Ａ、ＣＶ１Ｂ、ＣＶ２Ａ、ＣＶ２Ｂに代えて、制御装置７０の作動信号に基づいて開閉する電磁開閉弁を備える構成としても良い。
The switching
燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａと熱交換器１６の高温ガス出口１６Ｂとは燃料ガスライン５８によって接続されている。これにより、燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａには、改質工程を行う反応器１８、第３ライン３８Ａ又は第４ライン３８Ｂ、ブリッジ管路４０のバルブＶ６Ａ又はバルブＶ６Ｂ、燃料ガス供給ライン４２、熱交換器１６内の高温ガス流路、燃料ガスライン５８を通過した燃料ガスが送給される構成である。燃料ガス入口１４Ａから燃料電池１４内に導入された燃料ガスは、アノード電極に供給されて上記の通り水素ガスのみが発電に使用され、残余の可燃性ガス成分はアノードオフガスとして燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂから排出されるようになっている。アノードオフガスは、再生用ガス導入ライン４４、バルブＶ５Ａ又はバルブＶ５Ｂ、第３ライン３８Ａ又は第４ライン３８Ｂを通じて、再生用ガスとして反応器１８に供給される構成である。
The
また、燃料電池１４のカソード用空気入口１４Ｃには、一端が空気ポンプ６０の吐出側に接続されたカソード用空気供給ライン６２の他端が接続されている。カソード用空気供給ライン６２上にはバルブＶ１０が配設されている。カソード用空気入口１４Ｃから燃料電池１４内に導入された空気（酸素）は、カソード電極に導入されて、上記の通り水素分離膜を透過してきた水素と反応するようになっている。この反応によって生成された水蒸気、未反応の空気は、カソードオフガスとしてカソードオフガス出口１４Ｄから排出されるようになっている。
The
燃料電池１４のカソードオフガス出口１４Ｄと熱交換器１６の低温ガス入口１６Ｃとは、低温ガスライン６４にて接続されている。したがって、カソードオフガス出口１４Ｄから排出されたカソードオフガスは、低温ガスライン６４、熱交換器１６内の低温ガス流路、水蒸気供給ライン５０を通じて混合器２６に導入され、混合器２６内で炭化水素原料と混合されるようになっている。この混合ガスが、原料供給ライン２１、ブリッジ管路２８のバルブＶ１Ａ又はバルブＶ１Ｂ、第１ライン３６Ａ又は第２ライン３６Ｂを通じて改質反応ガスとして反応器１８に供給される構成である。
The
さらに、燃料電池１４の冷却用空気入口１４Ｅは、一端が空気ポンプ６６の吐出側に接続された冷却用空気供給ライン６８の他端が接続されている。冷却用空気供給ライン６８上にはバルブＶ１１が配設されている。冷却用空気入口１４Ｅから燃料電池１４内に導入された空気は、図示しない冷却空気流路を流動しつつ該燃料電池１４を冷却して運転温度を略一定温度に保つようになっている。燃料電池１４を冷却した後の冷却用空気は、冷却用空気出口１４Ｆから排出され、冷却用空気排出ライン５４、燃焼用空気供給ライン５２Ａ又は燃焼用空気供給ライン５２Ｂを通じて再生工程の燃焼用空気として反応器１８に送給されるようになっている。
Further, the cooling
再生工程で発生した再生排ガス（燃焼ガス）は、第１ライン３６Ａ又は第２ライン３６Ｂ、ブリッジ管路２８のバルブＶ２Ａ又はバルブＶ２Ｂ、排気ライン３０を通じて排気口３０Ａからシステム外に排出されるようになっている。
Regenerated exhaust gas (combustion gas) generated in the regeneration process is discharged out of the system from the
また、燃料電池システム１０は、制御装置７０を備えている。図３に示される如く、制御装置７０は、切換装置２０の各バルブ（バルブＶ０、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３、Ｖ４Ａ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ａ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９）、燃料電池１４への空気供給用の各バルブＶ１０、Ｖ１１、燃料ポンプ２２、及び各空気ポンプ６０、６６に電気的に接続されており、各バルブの開閉（バルブＶ８については弁開度の調節）及び各ポンプの作動、停止（燃料又は空気の供給量の制御）を制御する構成とされている。この制御装置７０は、図５に示すフローチャートに示す如き動作を行うようになっている。この動作については、燃料電池システム１０の基本動作と共に説明する。
Further, the
（基本動作）
次に、燃料電池システム１０の基本的な運転動作を説明する。図７には、第１反応器１８Ａが改質工程を行うと共に第２反応器１８Ｂが再生工程を行う状態がシステム構成図にて示されており、図８には、第１反応器１８Ａが再生工程を行うと共に第２反応器１８Ｂが改質工程を行う状態がシステム構成図にて示されている。なお、燃料電池システム１０の動作を表す各図において、開放状態のバルブを白抜きで示すと共に閉止状態のバルブを黒塗りで示し、かつバルブが閉じて流体の流れが遮断されている流路を想像線にて示すこととする。
(basic action)
Next, basic operation of the
図７に示される状態では、バルブＶ０、Ｖ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１が開放されている。一方、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂが閉止されている。これにより、炭化水素原料は、原料供給ライン２１（バルブＶ０）を通じて混合器２６に至り、混合器２６にて水蒸気、空気（酸素）と混合され改質反応ガスとなる。混合器２６から排出された改質反応ガスは、ブリッジ管路２８（バルブＶ１Ａ）、第１ライン３６Ａを経由して第１反応器１８Ａ内に供給される。第１反応器１８Ａ内では、触媒と改質反応ガスとの接触により上式（１）乃至（４）の反応を含む改質反応が行われ、水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスが生成される。
In the state shown in FIG. 7, the valves V0, V1A, V2B, V4B, V5B, V6A, V9, V10, and V11 are opened. On the other hand, the valves V1B, V2A, V4A, V5A, and V6B are closed. Thus, the hydrocarbon raw material reaches the
この燃料ガスは、第３ライン３８Ａ、ブリッジ管路４０（バルブＶ６Ａ）を通じて熱交換器１６に導入され、該熱交換器１６にて改質用ガスであるカソードオフガスと熱交換を行って冷却される。このとき、燃料ガスの上流である第１反応器１８Ａ内が分岐部３８Ｃ側のよりも高圧であるため、分岐部３８Ｃから第１反応器１８Ａへのガス逆流が逆止弁ＣＶ２Ａによって阻止されている。熱交換器１６にて冷却された燃料ガスは、燃料ガスライン５８、燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａを通じて燃料電池１４内のアノード電極に導入される。燃料電池１４には、カソード用空気供給ライン６２、カソード用空気入口１４Ｃを通じて、カソード電極に空気すなわち酸素が常時供給されている。アノード電極からは、水素分離膜を通じて水素ガスのみがプロトンとなってカソード電極に移動し、この水素とカソード電極に供給された酸素との反応によって発電が行われる。また、燃料電池１４には、冷却用空気供給ライン６８、冷却用空気入口１４Ｅを通じて、冷却用空気が常時供給されており、運転温度が４００℃〜５００℃の略一定温度に保たれている。
This fuel gas is introduced into the
燃料電池１４のカソードオフガス出口１４Ｄから排出された水蒸気、酸素を含むカソードオフガスは、熱交換器１６の低温ガス流路に導入されて上記の通りアノード電極に導入される燃料ガスと熱交換を行う。その後、このカソードオフガスは、水蒸気供給ライン５０を通じて混合器２６に導入され、上記の通り炭化水素原料と混合して改質反応ガスとなり、第１反応器１８Ａに導入される。
The cathode offgas containing water vapor and oxygen discharged from the
燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂから排出された一酸化炭素、炭化水素原料を含むアノードオフガスは、再生用ガス導入ライン４４、ブリッジ管路４０（バルブＶ５Ｂ）、第４ライン３８Ｂ、再生用ガスライン５５Ｂを通じて再生用ガスとして再生用ガス入口１８Ｈから第２反応器１８Ｂに導入される。このとき、再生用ガスの上流である分岐部３８Ｄ側の方が第２反応器１８Ｂ内よりも高圧であるため、第２反応器１８Ｂから分岐部３８Ｄへのガス逆流が逆止弁ＣＶ１Ｂによって阻止されている。一方、燃料電池１４の冷却用空気出口１４Ｆから排出された冷却用空気は、冷却用空気排出ライン５４、燃焼用空気供給ライン５２Ｂ（バルブＶ４Ｂ）を通じて、燃焼用空気として第２出入口１８Ｆから第２反応器１８Ｂに導入される。この第２反応器１８Ｂ内では、燃焼用空気と共に触媒に接触した可燃性ガスである再生用ガスが燃焼する。これにより、第２反応器１８Ｂの触媒温度が改質反応を行い得る温度まで上昇すると共に改質に必要な蓄熱が行われる。この燃焼によって生じた燃焼ガスである再生排ガスは、第２ライン３６Ｂ、ブリッジ管路２８（バルブＶ２Ｂ）、排気ライン３０を通じてシステム外に排出される。
The anode off gas containing carbon monoxide and hydrocarbon raw material discharged from the anode off gas outlet 14B of the
燃料電池システム１０の制御装置７０は、図５に示すフローチャートのステップＳ１０において、第１反応器１８Ａを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングでないと判断すると、ステップＳ１６に進んで、上記の通りバルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａが開放されると共にバルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂが閉止された状態を維持する。一方、制御装置７０は、改質反応を行っていた第１反応器１８Ａの触媒温度が低下し、改質反応を維持できなくなる場合（所定時間の経過、触媒温度が閾値を下回る等の制御パラメータにより判断される）、切換装置２０を切り換えることで、第１反応器１８Ａを改質工程から再生工程に切り換える。また、この切り換えとほぼ同時に、第２反応器１８Ｂを再生工程から改質工程に切り換える。すなわち、制御装置７０は、第１反応器１８Ａを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングであると判断すると、ステップＳ１２に進み、バルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａを閉止すると共に、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂを開放する。これにより、燃料電池システム１０は、図７に示す状態から図８に示す状態に切り換わる。
If the
図７の状態と異なる部分を説明すると、混合器２６から排出された改質反応ガスは、ブリッジ管路２８（バルブＶ１Ｂ）、第２ライン３６Ｂを経由して第２反応器１８Ｂ内に供給され、触媒との接触により改質反応が行われ、水素、一酸化炭素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、第４ライン３８Ｂ、ブリッジ管路４０（バルブＶ６Ｂ）を通じて熱交換器１６・燃料電池１４内のアノード電極に導入される。燃料電池１４から排出されたカソードオフガスは、熱交換器１６を通過した後、混合器２６に導入され、上記の通り炭化水素原料と混合して改質反応ガスとなり、第２反応器１８Ｂに導入される。
7A and 7B, the reforming reaction gas discharged from the
燃料電池１４から排出されたアノードオフガスは、再生用ガス導入ライン４４、ブリッジ管路４０（バルブＶ５Ａ）、第３ライン３８Ａ、再生用ガスライン５５Ａを通じて再生用ガスとして再生用ガス入口１８Ｇから第１反応器１８Ａに導入される。一方、燃料電池１４から排出された冷却用空気は、冷却用空気排出ライン５４、燃焼用空気供給ライン５２Ａ（バルブＶ４Ａ）を通じて燃焼用空気として第２出入口１８Ｅから第１反応器１８Ａに導入される。この第１反応器１８Ａ内では、燃焼用空気と共に触媒に接触した再生用ガスの燃焼によって、触媒温度が改質反応を行い得る温度まで上昇すると共に改質に必要な蓄熱が行われる。この燃焼によって生じた燃焼ガスである再生排ガスは、第１ライン３６Ａ、ブリッジ管路２８（バルブＶ２Ａ）、排気ライン３０を通じてシステム外に排出される。
The anode off gas discharged from the
また、制御装置７０は、図５に示すフローチャートのステップＳ１４において、第２反応器１８Ｂを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミング（第１反応器１８Ａを再生交代から改質工程へ切り換えるタイミング）でないと判断すると、ステップＳ１２に戻って、上記の通りバルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂが開放されると共にバルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａが閉止された状態を維持する。一方、制御装置７０は、第２反応器１８Ｂを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングであると判断すると、ステップＳ１６に進み、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂを閉止すると共に、バルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａを開放する。これにより、燃料電池システム１０は、図８に示す状態から図７に示す状態に切り換わる。したがって、ステップＳ１２及びＳ１６のバルブ開閉状態の何れか一方が本発明における第１状態に相当し、他方が第２状態に相当する。
Further, the
そして、制御装置７０は、上記各反応器１８の改質工程と再生工程との切り換え制御を行いつつ、燃料電池１４の負荷に応じて燃料ガスの供給量（改質工程を行う反応器１８に対する原料供給量）を調整する制御、再生工程を行う際の触媒燃焼温度を所定温度範囲に保持する制御を行うようになっている。この実施形態では、制御装置７０は、再生工程での空気過剰率（燃焼ストイキ）を予め設定した制御目標（この実施形態では１．１）となるように燃焼用空気（燃料電池１４の冷却後の空気）の反応器１８への供給量、すなわちバルブＶ８の弁開度や空気ポンプ６６の吐出量を制御して、触媒燃焼温度を８００℃乃至９００℃に保つようになっている。
The
以上により、燃料電池システム１０では、各反応器１８が改質工程と再生工程とを交互に繰り返し断続的（バッチ的）に燃料ガスを生成する構成でありながら、燃料電池１４に対し連続的に燃料ガスを供給して連続的に安定して発電を行うことができる構成を実現している。また、燃料電池システム１０では、燃料電池１４が水素分離膜によって燃料ガスから水素のみを分離して発電に用い、残余のガスを再生工程の燃料として用いるため、改質工程にて得た燃料ガス中の一酸化炭素を、さらに水と反応させて水素及び二酸化炭素を得るシフト反応を行う必要がない。シフト反応は反応速度が遅く大型の反応器を必要とするが、このシフト反応を行う必要がないため、燃料電池システム１０をコンパクトに構成することができる。
As described above, in the
（再生工程への切り換え時に逆火を抑制するための構成）
先ず、反応器１８内のより具体的な構造を説明する。図４（Ａ）に示される如く、各反応器１８の内部には、再生工程の酸化触媒としても機能する改質触媒を担持した触媒担持基材８０が配設されている。触媒担持基材８０は、反応器１８内における再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈよりも第１出入口１８Ｃ、１８Ｄ側に配置されている。一方、各反応器１８内における再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈよりも第２出入口１８Ｅ、１８Ｆ側には、触媒担持基材８０と同様の構造を有し触媒を担持しない多孔体８２が配設されている。各反応器１８における触媒担持基材８０と多孔体との間には混合用空間８４が形成されており、再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈは、混合用空間８４に再生用ガスを噴出するようになっている。この実施形態では、触媒担持基材８０、多孔体８２は、ハニカム構造を有するセラミック製の多孔体にて構成されている。
(Configuration to suppress backfire when switching to the regeneration process)
First, a more specific structure in the
したがって、再生工程では、第２出入口１８Ｅ、１８Ｆから反応器１８内に供給され多孔体８２を通過して混合用空間８４に導入された燃焼用空気と、再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈから混合用空間８４に導入された再生用ガスとが、上記空気過剰率の混合ガスとなるように混合用空間８４にて混合されるようになっている。そして、この混合ガスが触媒担持基材８０に導入されて触媒燃焼することで、該触媒担持基材８０に担持した改質触媒が昇温されると共に、該触媒への蓄熱が行われるようになっている。このように構成することで、再生工程後（改質工程開始直前）の反応器１８の軸線方向に沿う温度分布Ｄｔが、図４（Ｂ）に示す如く中央部で高くなると共に両端部で低くなる好ましい分布を得ることができる。
Accordingly, in the regeneration process, the combustion air supplied into the
そして、水素燃料供給システム１２では、第１反応器１８Ａが改質工程から再生工程へ切り換えられる際には、第１反応器１８Ａに燃焼用空気供給ライン５２Ａからの空気供給が開始された後に該第１反応器１８Ａへの再生用ガス供給を開始するようになっている。同様に、水素燃料供給システム１２では、第２反応器１８Ｂが改質工程から再生工程へ切り換えられる際には、第２反応器１８Ｂに燃焼用空気供給ライン５２Ｂからの空気供給が開始された後に該第２反応器１８Ｂへの再生用ガス供給を開始するようになっている。
In the hydrogen
具体的には、制御装置７０は、図５に示すフローチャートのステップＳ１０で第１反応器１８Ａの改質工程から再生工程への切り換えタイミングであると判断した場合には、ステップＳ１４から戻る場合と異なり、ステップＳ１２でバルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂをほぼ同時に開放するのではなく、図６（Ａ）に示されるステップＳ１２の如くバルブＶ５Ａの開放タイミングを遅らせるようになっている。より具体的には、制御装置７０は、第１反応器１８Ａの改質工程から再生工程への切り換えタイミングであると判断した場合には、ステップＳ２０で、バルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａを閉止すると共に、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ６Ｂを開放する。また、バルブＶ５Ａの閉止状態を維持する。これにより、燃料電池システム１０（切換装置２０）は、図９に示される如く、燃焼用空気供給ライン５２Ａから第１反応器１８Ａに燃焼用空気を供給しながら、再生用ガスを供給しない状態に切り換わる。
Specifically, the
次いでステップＳ２２に進みバルブＶ４Ａを開放した空気供給開始時刻Ｃａ１を記録し、ステップＳ２４へ進む。ステップＳ２４では、空気供給開始時刻Ｃａ１から現在時刻Ｃｎまでの経過時間が設定時間ΔＣａに至ったか否かを判断する。空気供給開始時刻Ｃａからの経過時間が設定時間ΔＣａ以下である場合は、ステップＳ２４に戻りこれを繰り返す。そして、ステップＳ２４にて空気供給開始時刻Ｃａ１からの経過時間が設定時間ΔＣａを超えたと判断すると、ステップＳ２６に進みバルブＶ５Ａを開放する。これにより、図８に示すように第１反応器１８Ａに再生用ガス供給ライン５５Ａから再生用ガスが供給される再生工程に移行する。
Next, the process proceeds to step S22, the air supply start time Ca1 at which the valve V4A is opened is recorded, and the process proceeds to step S24. In step S24, it is determined whether or not the elapsed time from the air supply start time Ca1 to the current time Cn has reached the set time ΔCa. When the elapsed time from the air supply start time Ca is equal to or shorter than the set time ΔCa, the process returns to step S24 and is repeated. When it is determined in step S24 that the elapsed time from the air supply start time Ca1 has exceeded the set time ΔCa, the process proceeds to step S26 and the valve V5A is opened. Thereby, as shown in FIG. 8, the process proceeds to a regeneration step in which the regeneration gas is supplied from the regeneration
同様に、制御装置７０は、図５に示すフローチャートのステップＳ１４で第２反応器１８Ｂの改質工程から再生工程への切り換えタイミングであると判断した場合には、ステップＳ１２から移行する場合と異なり、図６（Ｂ）に示すステップＳ１６を行うようになっている。すなわち、制御装置７０は、第２反応器１８Ｂの改質工程から再生工程への切り換えタイミングであると判断した場合には、ステップＳ３０で、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂを閉止すると共に、バルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ６Ａを開放する。また、バルブＶ５Ｂの閉止状態を維持する。これにより、燃料電池システム１０（切換装置２０）は、燃焼用空気供給ライン５２Ｂから第２反応器１８Ｂに燃焼用空気を供給しながら、再生用ガスを供給しない状態に切り換わる（図示省略）。
Similarly, if the
次いでステップＳ３２に進みバルブＶ４Ｂを開放した空気供給開始時刻Ｃａ２を記録し、ステップＳ３４へ進む。ステップＳ３４では、空気供給開始時刻Ｃａ２から現在時刻Ｃｎまでの経過時間が設定時間ΔＣａに至ったか否かを判断する。空気供給開始時刻Ｃａ２からの経過時間が設定時間ΔＣａ以下である場合は、ステップＳ３４に戻りこれを繰り返す。そして、ステップＳ３４にて空気供給開始時刻Ｃａ２からの経過時間が設定時間ΔＣａを超えたと判断すると、ステップＳ３６に進みバルブＶ５Ｂを開放する。これにより、図７に示すように第２反応器１８Ｂに再生用ガス供給ライン５５Ｂから再生用ガスが供給される再生工程に移行する。
Next, the process proceeds to step S32, the air supply start time Ca2 at which the valve V4B is opened is recorded, and the process proceeds to step S34. In step S34, it is determined whether the elapsed time from the air supply start time Ca2 to the current time Cn has reached the set time ΔCa. When the elapsed time from the air supply start time Ca2 is equal to or shorter than the set time ΔCa, the process returns to step S34 and is repeated. If it is determined in step S34 that the elapsed time from the air supply start time Ca2 has exceeded the set time ΔCa, the process proceeds to step S36 and the valve V5B is opened. Thereby, as shown in FIG. 7, the process proceeds to the regeneration step in which the regeneration gas is supplied from the regeneration
制御装置７０に予め設定されている設定時間ΔＣａは、反応器１８に再生用ガスが供給されて再生工程が開始される前に該反応器１８に供給される燃焼用空気によって、該反応器１８内における混合用空間８４の温度が所定温度以下に低下するのに要する時間として設定されている。この所定温度は、上記のとおり、一酸化炭素、水素、メタンなどの可燃性ガスを含む混合ガスである再生用ガスの自己着火が生じる恐れのある下限温度未満の温度として設定されており、この実施形態では、５００℃として設定されている。したがって、上記設定時間ΔＣａは、改質工程後の反応器１８内における混合用空間８４の温度が燃焼用空気の供給によって５００℃以下まで低下するのに要する時間として、実験的に又は数値解析等によって求められている。
The set time ΔCa preset in the
次に、この第１の実施形態における上記基本動作とは異なる作用について、図１に示す反応器内の温度分布の変化過程を参照しつつ説明する。 Next, an operation different from the basic operation in the first embodiment will be described with reference to the temperature distribution changing process in the reactor shown in FIG.
図１（Ａ）に示される如く、改質工程後期（終了直前）の反応器１８内の温度分布は、主に改質反応によって触媒部（触媒担持基材８０）で熱を消費することで、混合用空間８４内でピークになるような分布となっている。この状態から改質工程が終了すると、先ず、反応器１８には上記の通り第２出入口１８Ｅ又は１８Ｆから燃焼用空気のみが供給されるようになる（第１反応器１８Ａについて図９参照）。この燃焼用空気の供給によって、先ず図１（Ｂ）に示される如く多孔体８２の温度が低下する。バルブＶ４Ａ又はＶ４Ｂの開放すなわち反応器１８への燃焼用空気の供給から設定時間ΔＣａが経過すると、この反応器１８内では、図１（Ｃ）に示される如く混合用空間８４の温度が低下し、再生用ガスの自己着火が生じる下限温度未満の温度になる。
As shown in FIG. 1A, the temperature distribution in the
この設定時間ΔＣａの経過後に、バルブＶ５Ａ又はＶ５Ｂが開放されて再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈから再生用ガスが供給される。再生用ガスは混合用空間８４内で燃焼用空気と混合され、この混合ガスが触媒担持基材８０に担持された触媒に接触すると触媒燃焼が生じる。この触媒燃焼に伴う発熱によって、図１（Ｄ）に示される如く触媒担持基材８０に担持された触媒が徐々に昇温されると共に、該触媒（触媒担持基材８０）に改質に要する熱が蓄えられる。このとき、供給され続ける燃焼用空気によって、混合用空間８４の温度は、再生用ガスの自己着火が生じない温度に維持される。そして、再生工程が終了して燃焼用空気が供給されなくなると、燃焼用空気による顕熱冷却効果がなくなった反応器１８内は、図４（Ｂ）に示す如き温度分布となる。
After the set time ΔCa has elapsed, the valve V5A or V5B is opened, and the regeneration gas is supplied from the
ここで、燃料電池システム１０を構成する水素燃料供給システム１２では、反応器１８が改質工程から再生工程に切り換わる際に、制御装置７０が切換装置２０を制御して反応器１８内に再生用ガスが供給される前に燃焼用酸素のみが供給される期間が設定されるため、この期間に反応器１８内における再生用ガスが供給される混合用空間８４が燃焼用空気によって冷却される。このため、反応器１８内における再生用ガスが供給される混合用空間８４は、該再生用ガスの自己着火が生じ難い環境になる。
Here, in the hydrogen
特に、反応器１８が改質工程から再生工程に切り換わる際における上記燃焼用空気のみが反応器１８に供給される期間が、該燃焼用空気の供給によって混合用空間８４内の温度を再生用ガスの自己着火を生じる恐れのある下限温度未満まで低下するのに要する時間として設定されているため、再生用ガスが供給される混合用空間８４内は、再生用ガスの自己着火を生じる恐れのある下限温度未満まで低下しており、再生用ガスの自己着火が生じることが効果的に抑制（予防）される。
In particular, the period during which only the combustion air is supplied to the
そして、再生用ガスの自己着火すなわち反応速度の速い気相燃焼が抑制されることで、混合与空間８４内で再生用ガスと燃焼用空気とが十分に混合され（十分な混合時間が確保され）、安定的な再生工程での触媒燃焼反応が形成される。安定的な燃焼反応が形成された後においては、供給される燃焼用空気による顕熱冷却によって図１（Ｄ）に示される如く混合用空間８４の温度上昇が抑えられ、安定的な燃焼反応すなわち再生工程が維持される。換言すれば、再生用ガスと燃焼用空気とが十分に混合されることで、部分的に再生用ガスが高濃度に（空気過剰率が小さく）になった混合気が触媒燃焼して触媒担持基材８０に局所的な高温部位が形成されることが防止され、該高温部位からの輻射熱によって再生用ガスの自己着火が生じる恐れもなくなり、安定的な再生工程を維持可能となる。
Further, by suppressing the self-ignition of the regeneration gas, that is, the gas phase combustion having a high reaction rate, the regeneration gas and the combustion air are sufficiently mixed in the mixing space 84 (a sufficient mixing time is ensured). ), A catalytic combustion reaction in a stable regeneration process is formed. After the stable combustion reaction is formed, the sensible heat cooling by the supplied combustion air suppresses the temperature rise of the mixing
このように、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０では、改質工程から再生工程への切り換え時に逆火現象が生じることを防止して、再生工程を行う反応器１８や周辺機器・部材等が逆火現象によって損傷を被ることを防止することができる。
Thus, in the
なお、上記の実施形態では、単に再生用ガスの供給前に所定時間だけ燃焼用空気のみを反応器１８内に供給する期間を設定する例を示したが、例えば、この期間にバルブＶ８を全閉にし、反応器１８に供給される燃焼用空気量を増加するようにしても良い。
In the above embodiment, an example is shown in which the period for supplying only the combustion air into the
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る水素燃料供給システム９２が適用された燃料電池システム９０について、図１０乃至図１５に基づいて説明する。なお、上記第１の実施形態と基本的に同一の部品・部分については上記第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a
図１０には、燃料電池システム９０のシステム構成図が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム９０及び水素燃料供給システム９２は、それぞれ検出器としての温度センサ７６Ａ、７６Ｂを備える点で、燃料電池システム１０及び水素燃料供給システム１２とは異なる。また、図１１に示される如く、燃料電池システム９０は、制御装置７０に代えて制御装置９４を備えている。
FIG. 10 shows a system configuration diagram of the
制御装置７０は、メインコントローラ９６と逆火防止用サブコントローラ９８とを含んで構成されている。メインコントローラ９６は、切換装置２０の各バルブ（バルブＶ０、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３、Ｖ４Ａ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ａ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９）、燃料電池１４への空気供給用の各バルブＶ１０、Ｖ１１、燃料ポンプ２２、及び各空気ポンプ６０、６６に電気的に接続されており、各バルブの開閉（バルブＶ８については弁開度の調節）及び各ポンプの作動、停止（燃料又は空気の供給量の制御）を行う構成とされている。このメインコントローラ９６は、制御装置７０と同様に上記した基本動作（図５のフローチャートに示す制御）を行うようになっている。この動作については、説明を省略する。また、逆火防止用サブコントローラ９８は、以下に説明する逆火防止制御を行うようになっている。
The
図１０及び図１２に示される如く、温度センサ７６Ａ、７６Ｂは、各反応器１８Ａ、１８Ｂ内に配設されている。図１１に示される如く、温度センサ７６Ａ、７６Ｂは、制御装置９４を構成する逆火防止用サブコントローラ９８に電気的に接続されており、対応する反応器１８内の温度に対応する信号を逆火防止用サブコントローラ９８に出力するようになっている。逆火防止用サブコントローラ９８は、温度センサ７６Ａ、７６Ｂから所定の温度（閾値）以上の温度を検出したことに対応する信号が入力された場合には、再生用ガスが自己着火する温度条件が成立したと判断して、後述する逆火防止制御を行うようになっている。この実施形態では、逆火防止用サブコントローラ９８には、再生用ガスの自己着火が生じ易い温度条件として閾値Ｔｃ（＝１０００℃）が予め設定されている。すなわち、温度センサ７６Ａ、７６Ｂは、反応器１８内に局所的に高温部（後述）が生じた場合に、１０００℃以上の温度を検出すべき該反応器１８内の位置（再生用ガス入口１８Ｇ、１８Ｈ近傍）に配置されている。
As shown in FIGS. 10 and 12, the
また、逆火防止用サブコントローラ９８は、切換装置２０を構成するバルブＶ５Ａ、Ｖ５Ｂ、Ｖ８、及び燃料電池１４に冷却用空気を送給するための空気ポンプ６６と電気的に接続されており、各バルブの開閉（バルブＶ８については弁開度の調節）及び空気ポンプ６６の作動・停止（空気の供給量の制御）を行う構成とされている。なお、この実施形態では、狭義には切換装置２０が本発明における切換装置に相当するが、広義には制御装置９４による制御対象全て（切換装置２０を構成するバルブ、燃料ポンプ２２の他、空気ポンプ６０、６６、バルブＶ１０、Ｖ１１）を含む流路・流量切換装置が本発明における切換装置に相当する。
The backfire
次に、反応器１８の改質工程から再生工程への切り換え時の逆火防止制御について、図１３、図１４にそれぞれ示すフローチャートを参照しつつ説明する。なお、２つの反応器１８Ａ、１８Ｂについて、改質工程から再生工程への切り換え時に同様の逆火防止制御を行うので、以下、第１反応器１８Ａについて説明し、第２反応器１８Ｂについての説明は省略する。
Next, backfire prevention control when the
上記の通り、改質工程から再生工程への切換タイミングであると判断したメインコントローラ９６は、バルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａを閉止すると共に、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂを開放する。これにより、燃料電池システム９０は、図４に示す状態から図５に示す状態に切り換わる。この切換に伴って逆火防止用サブコントローラ９８は、メインコントローラ９６から切換信号が入力されて図１３のフローチャートに示す空気過剰率増大制御を開始する。
As described above, the
逆火防止用サブコントローラ９８は、ステップＳ４０で温度センサ７６Ａからの入力信号に基づいて、再生用ガスが供給される反応器１８Ａ内の温度Ｔｒを検出する。次いでステップＳ４２へ進み、温度Ｔｒを上記閾値Ｔｃと比較する。第１反応器１８Ａ内の温度Ｔｒが閾値Ｔｃすなわち１０００℃未満である場合には、換言すれば、第１反応器１８Ａ内が再生用ガスの自己着火を生じにくい環境であると判断された場合には、空気過剰率増大制御を終了し、ステップＳ４４にて空気過剰率減少制御に進む。なお、次述するステップＳ４６乃至ステップＳ５２を経ることなく空気過剰率増大制御を終了する場合には、空気過剰率減少制御に進むことなくメインコントローラ９６による再生工程の定常制御に戻るようにしても良い。
The backfire
ステップＳ４２で第１反応器１８Ａ内の温度Ｔｒが閾値Ｔｃ以上であると判断されると、換言すれば、図３（Ａ）に示される如く第１反応器１８Ａ内が再生用ガスの自己着火を生じ易い環境になっている（現実に自己着火が生じている場合も含む）と判断されると、ステップＳ４６へ進み、空気過剰率を現在の空気過剰率の１．５倍（５０％増）にする設定を行う。逆火防止用サブコントローラ９８は、この設定に基づいて図３（Ｂ）に示される如く切換装置２０を制御する（図３における各ラインの太さは、ガス流量の大きさに対応している）。
If it is determined in step S42 that the temperature Tr in the
具体的には、ステップＳ４６からステップＳ４８へ進み、排気ライン５６上のバルブＶ８が全閉であるか否かを判断する。バルブＶ８が全閉でないと判断された場合にはステップＳ５０へ進んでバルブＶ８を全閉にし、燃料電池１４を冷却した後の冷却用空気を全て燃焼用空気として第１反応器１８Ａに供給するようにする。その後ステップＳ５２に進む。また、ステップＳ４８でバルブＶ８が全閉であると判断された場合にもステップＳ５２に進む。ステップＳ５２では、冷却用空気を駆動するための空気ポンプ６６の吐出量を増大する制御を行う。これらによって空気過剰率λを上記ステップＳ４６における空気過剰率λの１．５倍まで増大すると、ステップＳ４２に戻る。
Specifically, the process proceeds from step S46 to step S48, and it is determined whether or not the valve V8 on the
そして、ステップＳ４２で第１反応器１８Ａ内の温度Ｔｒが閾値Ｔｃ未満である、すなわち第１反応器１８Ａ内が再生用ガスの自己着火を生じにくい環境になったと判断されるまで、以上のフローを繰り返す。ステップＳ４２で第１反応器１８Ａ内の温度Ｔｒが閾値Ｔｃ未満であると判断されると、上記の通りステップＳ４４で図１４に示す空気過剰率減少制御に進む。空気過剰率減少制御では、空気過剰率増大制御で増大した空気過剰率λを徐々に減少させるようになっている。また、空気過剰率減少制御では、空気過剰率λを徐々に減少させる過程で、再生ガスを反応器１８に間欠的に供給するようになっている。以下、具体的に説明する。
In step S42, the above-described flow is performed until it is determined that the temperature Tr in the
図１４に示す空気過剰率減少制御では、逆火防止用サブコントローラ９８は、ステップＳ６０で現在の空気過剰率λを検知する。次いでステップＳ６２へ進み、ステップＳ６０で検知した現在の空気過剰率λを定常の再生工程における制御目標λｃ（＝１．１）と比較する。空気過剰率λが制御目標λｃを超えている場合、ステップＳ６４へ進み、空気過剰率を現在の空気過剰率の０．８（２０％減）にする設定を行う。次いでステップＳ６６へ進み、ステップＳ６４にて設定した空気過剰率λが制御目標λｃ以下になるか否かを判断する。ステップＳ６４にて設定した空気過剰率λが制御目標λｃ以下になる場合には、ステップＳ６８へ進み、空気過剰率λを制御目標λｃと一致するように再設定を行う。その後ステップＳ７０へ進む。また、ステップＳ６６で、ステップＳ６４にて設定した空気過剰率λが制御目標λｃを超えると判断された場合は、ステップＳ６８を経ることなくステップＳ７０へ進む。
In the excess air ratio reduction control shown in FIG. 14, the backfire
ステップＳ７０では、第１反応器１８Ａへの再生用ガスの３秒ごとの供給停止期間Ｃｂを設定する。この実施形態では、Ｃｂを１秒とする。したがって、再生用ガスが２秒だけ反応器１８Ａに供給された後に１秒間だけ供給が停止されるサイクルを繰り返しながら、空気過剰率が減少される。なお、本制御による制御対象の空気過剰率は、反応器１８に再生用ガスが供給されている間のリアルタイムの空気過剰率であり、再生用ガスの供給停止期間に供給される酸素は空気過剰率の制御について考慮されない。
In step S70, the supply stop period Cb of the regeneration gas to the
ステップＳ７０の後にはステップＳ７２へ進み、空気過剰率λを減少し、かつ再生用ガスを第１反応器１８Ａに間欠的に供給する現実の制御が行われる。すなわち、逆火防止用サブコントローラ９８は、空気過剰率λを減少するために空気ポンプ６６の吐出量を定常の再生工程における吐出量に近づくように低減し、又はバルブＶ８の弁開度を定常の再生工程における弁開度に近づくように増加する（バルブＶ８は全閉のままでも良い）。また、逆火防止用サブコントローラ９８は、再生用ガスを間欠的に第１反応器１８Ａに供給するために、バルブＶ５Ａを２秒間だけ開放した後に１秒間だけ閉止する。
After step S70, the process proceeds to step S72, where actual control is performed to reduce the excess air ratio λ and intermittently supply the regeneration gas to the
逆火防止用サブコントローラ９８は、ステップＳ７２の後にステップＳ６０に戻る。ステップＳ６２にて、ステップＳ６０で検知した現在の空気過剰率λが制御目標λｃ以下である判断されるまで以上のステップを繰り返す。そして、ステップＳ６２にて、ステップＳ６０で検知した現在の空気過剰率λが制御目標λｃ以下である判断されると、すなわち、空気過剰率減少工程が完了したと判断されると、ステップＳ７４へ進み、空気過剰率減少工程を完了した完了時刻Ｃｆを記録する。
The backfire
次いでステップＳ７６へ進み、完了時刻Ｃｆから現在時刻Ｃｎまでの経過時間が設定時間ΔＣｆに至ったか否かが判断される。完了時刻Ｃｆからの経過時間が設定時間ΔＣｆ以下である場合は、ステップＳ７８へ進み、第１反応器１８Ａへの再生用ガスの供給停止期間Ｃｂを０．５秒に設定する。逆火防止用サブコントローラ９８は、次いでステップＳ８０に進み、バルブＶ５Ａを２．５秒間だけ開放した後に０．５秒間だけ閉止するサイクルを繰り返す。
Next, the process proceeds to step S76, where it is determined whether or not the elapsed time from the completion time Cf to the current time Cn has reached the set time ΔCf. When the elapsed time from the completion time Cf is equal to or shorter than the set time ΔCf, the process proceeds to step S78, and the regeneration gas supply stop period Cb to the
また、逆火防止用サブコントローラ９８は、ステップＳ８０の後にステップＳ７６に戻る。そして、ステップＳ７６にて完了時刻Ｃｆからの経過時間が設定時間ΔＣｆを超えたと判断されるまで、ステップＳ７６乃至ステップＳ８０を繰り返す。ステップＳ７６にて完了時刻Ｃｆからの経過時間が設定時間ΔＣｆを超えたと判断されると、ステップＳ８２へ進み、バルブＶ５Ａの閉止期間Ｃｂを０、すなわちバルブＶ５Ａを連続的に開放する。これにより、再生工程を行っている第１反応器１８Ａに再生用ガスが連続的に供給される状態になる。ステップＳ８２の後、空気過剰率減少制御を終了し、メインコントローラ９６による定常の制御に移行する。
Further, the backfire
ところで、再生用ガスが触媒燃焼する再生工程の反応器１８内では、上記の通り触媒燃焼温度がメインコントローラ９６にて制御されるようになっているが、改質工程から再生工程への切換時には部分的に再生用ガス濃度が高い（空気過剰率が小さい）燃焼領域が生じる場合があり、この燃焼領域では触媒燃焼温度が制御目標である８００℃乃至９００℃よりも著しく高くなる。この高温燃焼の輻射熱によって反応器１８内の温度が局所的に著しく高温になると、該高温部に接触した再生用ガスが自己着火して気相燃焼を生じる可能性が高まる。
By the way, in the
ここで、燃料電池システム９０（水素燃料供給システム１２）では、温度センサ７６Ａ、７６Ｂを備えているため、換言すれば、反応器１８内に局所的な高温部が生じると閾値Ｔｃ（１０００℃）以上の信号を出力する温度センサ７６Ａ、７６Ｂを設けたため、反応器１８内が再生用ガスの自己着火を生じ易い環境であるか否か（自己着火条件の成立の可否）を検知することができる。そして、本燃料電池システム９０では、温度センサ７６Ａ、７６Ｂから入力する信号に基づいて逆火防止制御を行う逆火防止用サブコントローラ９８を備えるため、再生用ガスの自己着火に伴う逆火減少を防止することができる。
Here, since the fuel cell system 90 (hydrogen fuel supply system 12) includes the
すなわち、燃料電池システム９０では、温度センサ７６Ａ、７６Ｂからの信号に基づいて反応器１８内の温度Ｔｒが１０００℃以上である（再生用ガスの自己着火を生じ易い環境である）と判断した場合に、空気過剰率を増加させるため、反応器１８内では再生燃料である再生用ガスに対し余剰の燃焼用空気（窒素）量が増して、この燃焼用空気による冷却効果で反応器１８の内部温度を速やかに低減することができる。特に、再生用ガスの供給量がほぼ一定の場合には、空気過剰率の増大により反応器１８内に供給される燃焼用空気量が増大するので、該燃焼用空気による冷却効果が大きく、反応器１８の内部温度を一層速やかに低減することができる。しかも、燃料電池システム９０では、反応器１８内の温度Ｔｒが１０００℃未満になるまで空気過剰率すなわち燃焼用空気量を増加し続けるため、冷却効果が一層大きくなり、反応器１８の内部温度をより一層速やかに低減することができる。さらに、余剰の燃焼用空気による希釈効果によって、局所的に生成された再生用ガスの高濃度部位が解消され、また新たな高濃度部位が生成されることが防止される。この希釈効果も空気過剰率、燃焼用空気量の増大に伴って大きくなる。以上の通り、空気過剰率の増大制御によって、再生用ガスの自己着火を生じ易くする反応器１８内の温度及び再生用ガス濃度の条件が解消される。
That is, in the
また、改質工程から再生工程への切換時に仮に再生用ガスの自己着火が生じたとしても、この自己着火による１０００℃以上の温度への温度上昇が温度センサ７６Ａ、７６Ｂによって検出されるので、逆火防止用サブコントローラ９８は、空気過剰率増大制御を行う。すると、反応器１８内への供給空気量の増加に伴い反応器１８内のガス流速が増加するため、この流速増加に伴う失火効果によって再生用ガスの気相燃焼を消火することができる。そして、逆火防止用サブコントローラ９８は、上記の通り温度センサ７６Ａ、７６Ｂの検出温度が１０００℃未満になるまで空気過剰率を増加し続けるため、再生用ガスの気相燃焼が生じた場合でも該気相燃焼を速やかに消火することができる。
Moreover, even if the self-ignition of the regeneration gas occurs when switching from the reforming process to the regeneration process, a temperature increase to a temperature of 1000 ° C. or more due to the self-ignition is detected by the
またここで、燃料電池システム９０（水素燃料供給システム１２）では、逆火防止用サブコントローラ９８が、空気過剰率増大制御によって増大した空気過剰率を、空気過剰率減少制御によって定常の再生工程の空気過剰率（制御目標λｃ）まで徐々に低減するため、反応器１８内に局部的に高温なる領域が再度生成されたり、気相燃焼が再発したりすることが防止される。すなわち、空気過剰率を急激に減少すると、反応器１８内には上記の通り内部温度を局所的に上昇させる原因となる再生用ガス濃度が局所的に高い（空気過剰率が局所的に低い）部分が生じ易いが、空気過剰率を徐々に低減することで、再生用ガスの局所的な高濃度部位が生成されることが防止される。したがって、反応器１８の内部温度が局所的に上昇して再生用ガスの気相燃焼を生じることが防止される。特に、空気過剰率を一定の減少率で減少させているため、換言すれば、空気過剰率が低減されるほど該低減幅（空気供給量の減少幅）が小さくなるので、空気過剰率減少過程で再生用ガスの気相燃焼を生じることが効果的に防止される。
Further, here, in the fuel cell system 90 (hydrogen fuel supply system 12), the backfire
しかも、逆火防止用サブコントローラ９８は、空気過剰率の低減過程で反応器１８への再生用ガスの供給を間欠的に行うようにしているため、換言すれば、反応器１８内に空気だけが流れる期間があるため、仮に反応器１８内に局所的に高温となる部分が生じた場合でも、空気による冷却によって該高温部分を速やかに解消することができる。したがって、空気過剰率増大制御にて増大した空気過剰率を、安全に定常時の空気過剰率（制御目標λｃ）まで低減することができる。
Moreover, since the backfire
このように、第２の実施形態に係る燃料電池システム９０では、改質工程から再生工程への切り換え時に逆火現象が生じることを防止して、再生工程を行う反応器１８や周辺機器・部材等が逆火現象によって損傷を被ることを防止することができる。
As described above, in the
なお、上記第２の実施形態では、温度センサ７６Ａ、７６Ｂが反応器１８の内部温度を直接的に検出する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、温度センサ７６Ａ等が反応器１８の該表面温度を検出するようにし、内部温度が１０００℃であることに対応する該表面温度（例えば８００℃）を閾値Ｔｃとして設定しても良い。また、空気過剰率を増大する反応器１８の内部温度Ｔｒは１０００℃に限定されることはない。さらに、また、本発明は、空気過剰率を増大する制御パラメータが温度であること、すなわち検出器が温度センサ７６Ａ等である構成には限定されず、例えば、検出器は、気相燃焼の有無を検出する画像処理装置等であっても良い。
In the second embodiment, the
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、本第３の実施形態では、基本的に逆火防止用サブコントローラ９８による制御が第２の実施形態とは異なるのみであるので、第２の実施形態における構成部品・部分と同一の部品・部分については、図示及び説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, basically, the control by the
第３の実施形態における逆火防止用サブコントローラ９８は、反応器１８が改質工程から再生工程に切り換えられる際に、該反応器１８の空気過剰率を所定時間だけ（一時的に）定常の再生工程の空気過剰率（制御目標λｃ）よりも増大する制御を行う構成とされている。具体的には、逆火防止用サブコントローラ９８は、図１５に示される制御を行うようになっている。以下、第１反応器１８Ａが改質工程から再生工程に切り換えられた場合を例に説明する。
When the
逆火防止用サブコントローラ９８は、ステップＳ９０で改質工程から再生工程への切り換え信号が入力されると、ステップＳ９２へ進み、再生工程の開始時刻Ｃｓを記録する。次いでステップＳ９４へ進み、開始時刻Ｃｓから現在時刻Ｃｎまでの経過時間が設定時間ΔＣｓに至ったか否かが判断される。開始時刻Ｃｓからの経過時間が設定時間ΔＣｓを超えている場合は、換言すれば、第１反応器１８Ａ内が再生用ガスの自己着火を生じ易い時間帯を過ぎたと判断された場合には、空気過剰率増大制御を終了し、ステップＳ９６にて空気過剰率減少制御に進む。なお、次述するステップＳ９８乃至ステップＳ１０４を経ることなく空気過剰率増大制御を終了する場合には、空気過剰率減少制御に進むことなくメインコントローラ９６による再生工程の定常制御に戻るようにしても良い。
When the switching signal from the reforming process to the regeneration process is input in step S90, the backfire
ステップＳ９４で開始時刻Ｃｓからの経過時間が設定時間ΔＣｓ以下であると判断されると、換言すれば、第１反応器１８Ａ内が再生用ガスの自己着火を生じ易い時間帯であると判断されると、ステップＳ９８へ進み、空気過剰率を増加する。具体的には、空気過剰率λを、定常の再生工程における空気過剰率（制御目標λｃ）よりも大奇異制御目標であるλｏとして設定する。この実施形態では、空気過剰率λｏは、予め設定された値とされており、例えば１．５から３．０までの範囲内にある値が選択されている。逆火防止用サブコントローラ９８は、この制御目標λｏに基づいて切換装置２０を制御する。
If it is determined in step S94 that the elapsed time from the start time Cs is equal to or shorter than the set time ΔCs, in other words, it is determined that the
具体的には、ステップＳ９８からステップＳ１００へ進み、排気ライン５６上のバルブＶ８が全閉であるか否かを判断する。バルブＶ８が全閉でないと判断された場合にはステップＳ１０２へ進んでバルブＶ８を全閉にし、燃料電池１４を冷却した後の冷却用空気を全て燃焼用空気として第１反応器１８Ａに供給するようにする。その後ステップＳ１０４に進む。また、ステップＳ１００でバルブＶ８が全閉であると判断された場合にもステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、冷却用空気を駆動するための空気ポンプ６６の吐出量を増大する制御を行う。これらによって空気過剰率λを上記ステップＳ４６における制御目標の空気過剰率λｏまで増大すると、ステップＳ９４に戻る。
Specifically, the process proceeds from step S98 to step S100, and it is determined whether or not the valve V8 on the
そして、ステップＳ９４で開始時刻Ｃｓからの経過時間が設定時間ΔＣｓを超えている、すなわち第１反応器１８Ａ内が再生用ガスの自己着火を生じにくい環境になったと判断されるまで、以上のフローを繰り返す。ステップＳ９４で開始時刻Ｃｓからの経過時間が設定時間ΔＣｓを超えていると判断されると、上記の通りステップＳ９６で図１４に示す空気過剰率減少制御に進む。この空気過剰率減少制御は、上記第２の実施形態と同じであるため説明を省略する。
Then, the above flow is determined until it is determined in step S94 that the elapsed time from the start time Cs has exceeded the set time ΔCs, that is, the inside of the
ところで、再生用ガスを触媒燃焼する再生工程を行う反応器１８内では、上記の通り触媒燃焼温度がメインコントローラ９６にて制御されるようになっているが、改質工程から再生工程への切換時（切り換え初期）には部分的に再生用ガス濃度が高い（空気過剰率が小さい）燃焼領域が生じる場合があり、この燃焼領域では触媒燃焼温度が制御目標である８００℃乃至９００℃よりも著しく高くなる。この高温燃焼の輻射熱によって反応器１８内の温度が局所的に著しく高温になると、該高温部に接触した再生用ガスが自己着火して気相燃焼を生じる可能性が高まる。
By the way, in the
ここで、第３の実施形態に係る燃料電池システム９０（水素燃料供給システム１２）では、改質工程から再生工程への切り換え開始から所定時間（ΔＣｓ）を経過するまでの期間に、反応器１８内の空気過剰率を、定常の再生工程における空気過剰率λｃ（１．１）よりも大であるλｏ（１．５から３．０）にする。これにより、再生工程初期の反応器１８内に再生用ガスの濃度が部分的に高い領域が生じることが防止され、反応器１８内に再生用ガスの自己着火の原因となる局所的な高温部が生成されることがない。すなわち、第３の実施形態では、改質工程から再生工程への切り換え初期において、再生用ガスが自然発火するための一条件が成立することが防止され、したがって反応器内での再生用ガスの自己着火、逆火現象の発生が防止される。
Here, in the fuel cell system 90 (hydrogen fuel supply system 12) according to the third embodiment, the
また、定常の再生工程の空気過剰率λｃよりも大となった空気過剰率を該定常空気過剰率λｃまで減少する際には、上記した図１４のフローに基づき空気過剰率を徐々に減少するため、第２の実施形態の場合と同様に、この空気過剰率減少過程で再生用ガスの自己着火が生じることが防止される。 Further, when the excess air ratio that has become larger than the excess air ratio λc in the steady regeneration process is reduced to the steady excess air ratio λc, the excess air ratio is gradually reduced based on the flow shown in FIG. Therefore, as in the case of the second embodiment, it is possible to prevent the regeneration gas from self-igniting in the process of reducing the excess air ratio.
このように、第３の実施形態に係る燃料電池システム９０では、改質工程から再生工程への切り換え時に逆火現象が生じることを防止して、再生工程を行う反応器１８や周辺機器・部材等が逆火現象によって損傷を被ることを防止することができる。
As described above, in the
なお、第３の実施形態では、逆火防止用サブコントローラ９８が温度センサ７６Ａ、７６Ｂからの信号に基づく制御を行わない例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、図１５又は図１４に示す制御を行いつつ温度センサ７６Ａ、７６Ｂからの信号（反応器１８の温度）を監視しておき、該信号が反応器１８内の温度が１０００℃以上であることに対応すると判断した場合には図１３に示すフローに移行するようにしても良い。同様に、第２の実施形態において、図１４の空気過剰率減少制御を行っている過程で温度センサ７６Ａ、７６Ｂからの信号が反応器１８内の温度が１０００℃以上であることに対応すると判断した場合には、図１３に示すフローに移行するようにしても良い。
In the third embodiment, an example in which the backfire
また、上記第２又は第３実施形態では、逆火防止用サブコントローラ９８が空気過剰率増加制御、空気過剰率減少制御等による逆火防止制御を行う例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、これらの制御をメインコントローラ９６による主制御に組み込んでも良い。また、改質工程と再生工程との切り換え制御を温度センサ７６Ａ、７６Ｂの出力信号に基づく（切替パラメータを温度とする）制御とし、逆火防止用の出力信号を切り換え制御用の出力信号とを共通化することも可能である。
In the second or third embodiment, the backfire
１２ 水素燃料供給システム
１８ 反応器
２０ 切換装置
７０ 制御装置
８４ 混合用空間（反応器における再生用ガスが供給される部分）
９２ 水素燃料供給システム
９４ 制御装置
92 Hydrogen
Claims (1)
前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを排出させる第１の状態と、前記反応器に前記再生用ガス及び燃焼用酸素含有ガスを供給しつつ再生排ガスを排出させる第２の状態とを切り換えるための切換装置と、
前記反応器に前記第１の状態と第２の状態とを交互に生じさせるように前記切換装置を切り換えると共に、前記第２の状態に切り換える際には、前記反応器への前記酸素含有ガスの供給が開始されてから所定時間経過後に該反応器への前記再生用ガスの供給が開始されるように前記切換装置を切り換える制御装置と、
を備え、
前記所定時間が、前記反応器への前記酸素含有ガスの供給が開始されてから前記反応器における前記再生用ガスが供給される部分の温度が前記酸素含有ガスの供給によって該再生用ガスの自己着火が生じ得る下限温度未満に低下するのに要する時間とされている水素燃料供給システム。 A reforming step of generating a fuel gas containing hydrogen from the supplied raw material, and a regeneration step of catalytically burning the regeneration gas supplied at a temperature lowered by the reforming step to raise the temperature to be reformable; A reactor switchable to perform
A first state in which the fuel gas is discharged while supplying the raw material to the reactor; and a second state in which the regeneration exhaust gas is discharged while supplying the regeneration gas and combustion oxygen-containing gas to the reactor. A switching device for switching between,
The switching device is switched so that the first state and the second state are alternately generated in the reactor, and when switching to the second state, the oxygen-containing gas to the reactor is switched. A control device that switches the switching device so that the supply of the regeneration gas to the reactor is started after a predetermined time has elapsed since the supply was started;
Equipped with a,
The temperature of the portion of the reactor to which the regeneration gas is supplied after the start of the supply of the oxygen-containing gas to the reactor is increased by the supply of the oxygen-containing gas. A hydrogen fuel supply system in which the time required for the temperature to fall below a lower limit temperature at which ignition can occur is set .
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