WO2024218981A1 - Fuel cell system and control method for same - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
Definitions
- the present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof.
- Fuel cells that use hydrogen as fuel to generate electricity are known.
- a reforming catalyst may be used to generate hydrogen.
- fuel gas containing hydrocarbons is reformed by the reforming catalyst to generate reformed gas containing hydrogen.
- the generated reformed gas is then used to generate electricity.
- Patent Document 1 describes a method for stopping the operation of a fuel cell having a specific reformer, in which a specific mixed gas is supplied into the fuel cell through the reformer while continuing to supply air into the fuel cell, and when the temperature of the reforming catalyst falls to within a specific temperature range, the supply of the mixed gas is stopped, and after the supply of the mixed gas is stopped, air or hydrocarbon gas is passed through the reformer as a purge gas into the fuel cell.
- the object of the present invention is to provide a technology that can remove carbon that has accumulated on a reforming catalyst.
- the present invention relates to a control method for a fuel cell system.
- the fuel cell system includes a reforming unit that reforms a fuel gas containing hydrocarbons to generate reformed gas, the reforming unit having a reforming catalyst, and a fuel cell stack configured to generate electricity using the reformed gas as an anode gas.
- the control method includes a normal operation step of causing the fuel cell stack to generate electricity while supplying fuel gas to the reforming unit, and a carbon removal step of removing carbon deposited on the reforming catalyst.
- the carbon removal step includes a step of supplying air to the reforming unit. The flow rate of air supplied to the reforming unit in the carbon removal step is greater than the flow rate of hydrocarbons supplied to the reforming unit in the normal operation step.
- the present invention relates to a fuel cell system.
- the fuel cell system includes a reforming section that reforms a fuel gas containing hydrocarbons to generate reformed gas, the reforming section having a reforming catalyst; a fuel cell stack configured to generate electricity using the reformed gas as an anode gas; and a control device.
- the control device is configured to execute a normal operation step and a carbon removal step. In the normal operation step, the control device causes the fuel cell stack to generate electricity while supplying fuel gas to the reforming section. In the carbon removal step, the control device supplies air to the reforming section. The flow rate of the air supplied to the reforming section in the carbon removal step is greater than the flow rate of the hydrocarbons supplied to the reforming section in the normal operation step.
- FIG. 1 is a schematic block diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment.
- FIG. 2 is a flowchart showing a control method for the fuel cell system according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a flow chart illustrating the steps for starting up a combustor.
- FIG. 4 is a flowchart showing steps S20 and S30.
- FIG. 5 is a flow chart showing the POX operation step (step S40).
- FIG. 6 is a graph showing a modification of the first embodiment.
- FIG. 7 is a graph showing another modified example of the first embodiment.
- FIG. 8 is a graph showing yet another modified example of the first embodiment.
- FIG. 9 is a schematic block diagram showing a fuel cell system according to the second embodiment.
- FIG. 10 is a schematic block diagram showing a fuel cell according to the third embodiment.
- FIG. 11 is a graph showing the relationship between the operation time and the amount of hydrogen generated in Experimental Example 1.
- FIG. 12 is a graph showing the relationship between air flow
- FIG. 1 is a schematic block diagram showing a fuel cell system 1 according to a first embodiment.
- the fuel cell system 1 has a control device 3, a fuel cell stack 4, a reformer 5, a fuel tank 6, a heat exchanger 7, a combustor 8, and an air supply unit 9. Note that this fuel cell system 1 is configured to steadily operate at a constant output (rated output) during normal operation.
- the fuel cell stack 4 is the part that realizes the power generation function. Although not shown, the fuel cell stack 4 has an anode, an electrolyte, and a cathode. The fuel cell stack 4 receives anode gas and cathode gas to generate power. The reformed gas supplied from the reforming unit 5 is used as the anode gas. The air supplied from the air supply unit 9 is used as the cathode gas.
- Fuel cell stack 4 is also connected to combustor 8 via line 19 downstream of its anode. Fuel cell stack 4 is also connected to combustor 8 via line 17 downstream of its cathode. This allows both exhaust from the anode and exhaust from the cathode to be sent to combustor 8.
- the reforming unit 5 is configured to reform the fuel gas supplied from the fuel tank 6 to generate a reformed gas containing hydrogen.
- the reforming unit 5 generates the reformed gas by steam reforming.
- the steam may be supplied from the fuel tank 6 together with the fuel gas, or may be supplied to the reforming unit 5 via a route (not shown) separate from the fuel gas.
- the reforming section 5 includes a reforming catalyst, such as Pt/ CeO2 , Ni/ CeO2 , or Rh/ CeO2 .
- the reforming section 5 is connected to the anode of the fuel cell stack 4 via line 18.
- the reformed gas generated in the reforming section 5 is supplied to the anode of the fuel cell stack 4 via line 18 as described above.
- the fuel tank 6 is a section for storing fuel gas.
- the fuel tank 6 is connected to the reforming section 5 via a line 13.
- a valve 15 is provided on the line 13.
- the fuel tank 6 is also connected to the combustor 8 via a line 14.
- a valve 16 is provided on the line 14.
- the fuel gas contains a hydrocarbon.
- a preferred example of the hydrocarbon is methane.
- methane is used, a methane steam reforming reaction can be carried out in the reforming section 5. Since methane is a non-alcohol fuel, the reforming catalyst in the reforming section 5 is less likely to deteriorate due to acid sites.
- the air supply unit 9 is provided to supply air as a cathode gas to the fuel cell stack 4.
- the air supply unit 9 is realized by, for example, a blower.
- the air supply unit 9 is connected to the cathode of the fuel cell stack 4 via an air supply line 10.
- the air supply unit 9 can also send air to the reforming unit 5.
- the air supply line 10 is connected to the reforming unit 5 via a purge line 11.
- a valve 12 is provided on the purge line 11. By operating the valve 12, it is possible to supply air from the air supply unit 9 to the reforming unit 5.
- the heat exchanger 7 is provided in the air supply line 10.
- the heat exchanger 7 is thermally connected to the combustor 8. This allows the air flowing through the air supply line 10 to be heated by the heat from the combustor 8.
- the heat exchanger 7 is located downstream of the connection between the purge line 11 and the air supply line 10. Therefore, the air sent from the air supply unit 9 to the reforming unit 5 via the purge line 11 is not heated by the heat exchanger 7.
- the combustor 8 is provided to heat the air via the heat exchanger 7.
- the combustor 8 is supplied with fuel gas from the fuel tank 6, exhaust gas from the cathode of the fuel cell stack 4, and exhaust gas from the anode of the fuel cell stack 4. These gases are combusted in the combustor 8.
- the combustion gas generated in the combustor 8 is discharged to the outside as exhaust gas.
- the combustor 8 is also connected to the reforming section 5 so that the combustion gas is discharged as exhaust gas after heat exchange with the reforming section 5.
- the control device 3 is provided to control the operation of the entire fuel cell system 1.
- the control device 3 is realized, for example, by a computer having an arithmetic unit such as a CPU and storage devices such as RAM and ROM.
- the control device 3 realizes its functions by the arithmetic unit executing a control program stored in the storage device.
- the fuel cell system 1 operates at a predetermined constant output (rated output).
- control device 3 closes valve 12 and opens valves 15 and 16. This allows fuel gas to be supplied from the fuel tank 6 to the reformer 5 and combustor 8.
- fuel gas is supplied to the reformer 5 at a constant flow rate.
- the fuel gas is reformed by steam reforming to generate reformed gas.
- the generated reformed gas is sent to the anode of the fuel cell stack 4 via line 18.
- the reformed gas supplied to the anode is used for power generation and then sent to the combustor 8 via line 19 as anode exhaust gas.
- Air is sent from the air supply unit 9 to the cathode of the fuel cell stack 4 via the air supply line 10 and the heat exchanger 7. To obtain a constant output, air is sent to the cathode at a constant flow rate. After being used to generate electricity, the air supplied to the cathode is sent to the combustor 8 via line 17 as cathode exhaust gas.
- the gas sent from lines 14, 17, and 19 is burned. This heats the air via the heat exchanger 7. That is, heated air is supplied to the fuel cell stack 4. Fuel cells normally function at high temperatures. By supplying heated air, the temperature required for power generation is maintained in the fuel cell stack 4. The combustion gas generated in the combustor 8 is discharged as exhaust gas. In addition, a portion of the combustion gas is discharged after heat exchange with the reforming section 5. Therefore, the temperature of the reforming section 5 is also maintained at the temperature required for the reforming reaction.
- carbon may be deposited on the reforming catalyst in the reformer 5. This is believed to be due to the disproportionation reaction (2CO ⁇ C+ CO2 ) of CO, a by-product of the reforming reaction. When the surface of the reforming catalyst is covered with carbon, the efficiency of the reforming reaction decreases.
- a carbon removal step is carried out to remove the deposited carbon.
- air is supplied to the reforming section 5.
- the control device 3 opens the valve 12 (see FIG. 1), and air is supplied to the reforming section 5 via the purge line 11.
- the valve 15 is closed. In other words, fuel gas is not supplied to the reforming section 5.
- the air supplied to the reforming section 5 in the carbon removal step is at a high flow rate. Specifically, air is supplied to the reforming section 5 at a flow rate equal to or greater than the flow rate of the hydrocarbons supplied to the reforming section 5 during normal operation. By supplying air to the reforming section 5 at this rate, carbon deposited on the reforming catalyst can be removed, and the function of the reforming catalyst can be restored.
- the "flow rate of the hydrocarbons supplied to the reforming section during normal operation" referred to here does not refer to the flow rate of the fuel gas as a whole, but rather to the flow rate of the hydrocarbons. For example, if the hydrocarbon contained in the fuel gas is methane, the flow rate of the methane is the "flow rate of the hydrocarbons supplied to the reforming section 5."
- the flow rate of air supplied to the reforming section 5 in the carbon removal step is at least four times the flow rate of the hydrocarbons supplied to the reforming section 5 during normal operation. If air is supplied at such a flow rate, carbon can be removed more reliably.
- the oxygen-based molar flow rate ( O2 ) of the air supplied to the reforming unit 5 in the carbon removal step is preferably 0.84 or more relative to the carbon-based molar flow rate (C) of the fuel gas supplied to the reforming unit 5 during normal operation. If air is supplied at such a flow rate, carbon can be removed more reliably.
- the timing of the carbon removal step is not particularly limited. However, if the carbon removal step is performed when the fuel cell system 1 is started up, carbon removal and startup of the fuel cell system 1 can be performed simultaneously, which is efficient. Below, a specific description will be given of the control method of the fuel cell system 1 according to this embodiment, using as an example a case where the carbon removal step is performed when the fuel cell system 1 is started up. Unless otherwise specified, the following control method is performed by the control device 3.
- FIG. 2 is a flowchart showing a control method for the fuel cell system 1 according to this embodiment.
- This control method for the fuel cell system generally includes start-up steps (S10 to S40) and a normal operation step (S50).
- the start-up steps (S10 to S40) include a step (S10) of starting the combustor 8, a step (S20) of determining whether carbon removal is required, a carbon removal step (S30), and a step (S40) of performing POX operation.
- heated air is supplied to the cathode of the fuel cell stack 4 via the air supply line 10. This heats up the fuel cell stack 4. In other words, the fuel cell stack 4 is warmed up. Therefore, steps S20 to S40, which are performed after the start-up of the combustor 8 (after step S10), can be said to be performed in the warm-up step of the fuel cell stack 4.
- Step S10 Start-up of combustor
- Figure 3 is a flow chart showing the steps of starting up the combustor 8.
- the air supply unit 9 is started (step S11). As a result, air flows from the air supply unit 9 through the air supply line 10 to the heat exchanger 7, the cathode of the fuel cell stack 4, and the combustor 8 in that order. Note that the valve 12 is closed. In other words, air is not supplied to the reformer 5.
- the heater (not shown) of the combustor 8 is also operated (step S12).
- the control device 3 measures the temperature of the combustor 8 via a temperature sensor (not shown) or the like. The control device 3 then compares the measurement result with a predetermined temperature stored in advance.
- the predetermined temperature here is a temperature that is set based on whether or not a combustion reaction is possible in the combustor 8. For example, if the combustor 8 includes a combustion catalyst, the light-off temperature of the combustion catalyst (e.g., 350°C) is set as the predetermined temperature.
- step S14 fuel gas is introduced into the combustor 8 (step S14). That is, the valve 16 is opened, and fuel gas is supplied from the fuel tank 6 to the combustor 8 via the line 14. This causes a combustion reaction to proceed in the combustor 8, and the combustor 8 starts up.
- Step S20 Determining whether carbon removal is necessary
- step S20 Determining whether carbon removal is necessary
- Whether or not a carbon removal step is required is determined, for example, based on the accumulated operating time.
- the control device 3 is configured to store the accumulated operating time since the previous carbon removal step was performed as data. The control device 3 compares this accumulated operating time with a preset specified time. Then, if the accumulated operating time exceeds the specified time, it determines that a carbon removal step is required.
- the necessity of the carbon removal step may be determined based on the reforming performance during the previous operation.
- the reforming performance can also be determined based on, for example, the outlet temperature of the reforming section 5.
- the reforming reaction in the reforming section 5 is an endothermic reaction. Therefore, when the reforming function decreases, the outlet temperature of the reforming section 5 increases. In other words, it can be said that the outlet temperature of the reforming section 5 reflects the reforming performance in the reforming section 5. Therefore, the necessity of the carbon removal step can also be determined based on the outlet temperature of the reforming section 5 during the previous operation.
- control device can compare the outlet temperature of the reforming section 5 during the previous operation with the outlet temperature of the reforming section 5 in a preset initial state, and determine the necessity of the carbon removal step if the difference is equal to or greater than a predetermined value (for example, 10% of the value in the initial state).
- a predetermined value for example, 10% of the value in the initial state
- step S40 the necessity of the carbon removal step will be determined the next time the device is started, and the processing from step S40 onwards will be carried out. This prevents the carbon removal step from being carried out unnecessarily, thereby improving energy efficiency.
- Step S30 Carbon Removal Step
- the valve 12 in the carbon removal step, as described above, the valve 12 (see FIG. 1) is opened (step S31). This causes air to be supplied from the air supply unit 9 to the reforming unit 5 via the purge line 11. As described above, at this time, the air is supplied to the reforming unit 5 at a predetermined large flow rate.
- the supply of air removes the carbon that has precipitated from the reforming section 5.
- the removed carbon is sent to the combustor 8 via the anode of the fuel cell stack 4 and line 19. It is then burned in the combustor 8, rendered harmless, and then discharged to the outside.
- the air is supplied from the air supply unit 9 to the reforming unit 5 without being heated. If air is supplied to the reforming unit 5 at a high temperature, the reforming catalyst may be oxidized and deteriorated. However, according to this embodiment, the air is supplied without being heated, so that the oxidative deterioration of the reforming catalyst can be suppressed. Similarly, in the anode of the fuel cell stack 4 located downstream of the reforming unit 5, the oxidative deterioration of the electrode material is suppressed.
- the control device 3 determines whether the temperature of the reforming section 5 has reached a preset first temperature (step S32). For example, the control device 3 measures the temperature of the reforming section 5 using a sensor not shown. The temperature of the reforming section 5 may be indirectly determined by measuring the outlet temperature of the reforming section 5.
- step S32 If it is determined in step S32 that the temperature of the reforming unit 5 has reached the first temperature, the control device 3 closes the valve 12. This stops the supply of air to the reforming unit 5 (step S33). In other words, the carbon removal step is completed.
- the above-mentioned first temperature is set from the viewpoint of deterioration of the substances contained in the reforming section 5. If air is supplied to the reforming section 5 when the temperature of the reforming section 5 is high, the reforming catalyst may deteriorate due to sintering or oxidation. Furthermore, the anode in the downstream fuel cell stack 4 is also prone to oxidation deterioration. In response to this, by stopping the supply of air when the first temperature is reached, it is possible to prevent oxidation deterioration of the reforming catalyst and anode.
- the first temperature is, for example, 300°C.
- the carbon removal step is preferably carried out for, for example, 15 seconds or more, preferably 30 seconds or more, and more preferably 1 minute or more.
- Step S40 POX operation
- Fig. 5 is a flow chart showing the POX operation step (S40). The POX operation is carried out to promote warming up of the fuel cell stack 4.
- step S41 the control device 3 determines whether the temperature of the reforming section 5 has reached a preset second temperature or higher.
- the second temperature is determined based on whether a POX reaction (partial oxidation reaction: CH4 + 1/ 2O2 ⁇ CO + 2H2 ) is progressing, and is a temperature higher than the first temperature, e.g., 400°C.
- step S41 If it is determined in step S41 that the temperature of the reforming section 5 has reached the second temperature, the valve 12 is opened and air is supplied to the reforming section 5 via the purge line 11 (see FIG. 1) (step S42). In addition, the valve 15 (see FIG. 1) is opened and fuel gas is supplied from the fuel tank 6 to the reforming section 5 (step S43). This causes the POX reaction to proceed in the reforming section 5. Note that the amount of air supplied to the reforming section 5 in step S42 only needs to be an amount sufficient to cause the POX reaction to proceed, and this amount is sufficiently smaller than the amount in the carbon removal step (S30).
- step S44 it is determined whether steady-state power generation is possible (for example, whether the temperature of the reforming unit 5 has reached the desired temperature) (step S44), and if it is determined that steady-state power generation is possible, normal operation is performed.
- the valve 12 is closed and no air is supplied to the reforming unit 5.
- the carbon removal step (S30) is performed after the combustor 8 is started. Therefore, the carbon removed from the reformer 5 can be burned in the combustor 8. This makes it possible to render the removed carbon harmless and then discharge it to the outside.
- the amount of air supplied to the reforming unit 5 in the carbon removal step (S30) may be constant, but it does not have to be. Below, the amount of air supplied will be explained while listing modified examples.
- FIG. 6 is a graph showing a variation of this embodiment, which shows the relationship between the flow rate of air supplied to the reforming section 5 in the carbon removal step (S30) and time.
- air is supplied at a constant flow rate after the start of the carbon removal step (S30).
- air can be supplied to the reforming section 5 at a constant flow rate, for example.
- FIG. 7 is a graph showing another modified example, which shows the relationship between the flow rate of air supplied to the reforming section 5 in the carbon removal step (S30) and time.
- air is supplied intermittently.
- the flow rate when air is supplied (see “A” in the figure) is greater than the flow rate of hydrocarbons during normal operation.
- the contact time between the reforming catalyst and air can be reduced by supplying air intermittently. This prevents oxidation degradation of the reforming catalyst. For the same reason, oxidation degradation of the anode electrode can also be suppressed in the fuel cell stack 4 located downstream of the reforming section 5.
- Figure 8 is a graph showing yet another modified example, which shows the relationship between the flow rate of air supplied to the reforming section 5 in the carbon removal step (S30) and time.
- the amount of air supplied is increased in stages.
- the final air flow rate (see “A” in the figure) is greater than the flow rate of hydrocarbons during normal operation.
- the air flow rate increases stepwise, making it easier for the entire surface of the reforming catalyst to be treated with air. This allows for more efficient carbon removal.
- the use of the fuel cell system 1 in this embodiment is not particularly limited, but for example, it is for use on a vehicle.
- the fuel cell system 1 for use on a vehicle is required to be compact. As a result, it is used under severe conditions (for example, high SV, low S/C). This makes it easy for carbon to precipitate on the reforming catalyst.
- This embodiment can solve the problem of carbon precipitation, and is therefore particularly useful for use in a fuel cell system for use on a vehicle.
- the S/C ratio (molar ratio of water vapor to carbon) during normal operation is, for example, 5 or less, preferably 1 to 5, and more preferably 1 to 3.
- carbon is prone to deposit on the reforming catalyst.
- This embodiment is particularly valuable in fuel cells operated at such S/C ratios, as it can solve the problem of carbon deposition.
- the space velocity GHSV of the gas supplied to the reforming unit 5 during normal operation is, for example, 30,000 h -1 or more, and preferably 40,000 to 100,000 h -1 .
- Fuel cells used in such GHSVs are used under severe conditions, and as described above, carbon is likely to deposit on the reforming catalyst.
- This embodiment is particularly valuable in fuel cell systems used in such GHSVs, since it can solve the problem of carbon deposition.
- Fig. 9 is a schematic block diagram showing a fuel cell system 1 according to a second embodiment. Note that detailed description will be omitted for the points where the same configuration as the first embodiment can be adopted.
- the reforming section 5 is provided at the anode of the fuel cell stack 4. That is, the anode of the fuel cell stack 4 contains a reforming catalyst. Therefore, the purge line 11 is connected to the anode of the fuel cell stack 4. A line 13 for supplying fuel gas is also connected to the anode of the fuel cell stack 4.
- the control method of the fuel cell system in this embodiment is basically the same as that in the first embodiment.
- the combustor inlet temperature reflects the reforming performance in the reformer 5. Therefore, in step S20 (see FIG. 4), it is possible to determine whether or not a carbon removal step is required based on the combustor inlet temperature during the previous operation.
- the temperature of the reformer 5 is reflected in the anode outlet temperature. Therefore, in steps S32 (see FIG. 4) and S41 (see FIG. 5), it may be determined whether or not the temperature of the reformer 5 has reached a predetermined temperature based on the anode outlet temperature.
- Fig. 10 is a schematic block diagram showing a fuel cell system according to a third embodiment. Note that detailed description will be omitted for the points where the same configuration as the above-mentioned embodiments can be adopted.
- the fuel cell stack 4 has a first stack 4-1 and a second stack 4-2.
- Each stack (4-1, 4-2) has an anode, an electrolyte layer (not shown), and a cathode.
- the reforming section 5 is disposed at the anode of the first stack 4-1. Therefore, the purge line 11 is connected to the anode of the first stack 4-1.
- a line 13 for supplying fuel gas is also connected to the anode of the first stack 4-1.
- the anode of the first stack 4-1 is connected to the anode of the second stack 4-2 on its downstream side. In other words, the first stack 4-1 and the second stack 4-2 are connected so that gas flows from the anode of the first stack 4-1 to the anode of the second stack 4-2.
- the anode of the second stack 4-2 is connected to the combustor 8 via a line 19 on its downstream side.
- the air supply line 10 is connected to the cathode of the second stack 4-2.
- the cathode of the second stack 4-2 is connected downstream to the cathode of the first stack 4-1.
- the first stack 4-1 and the second stack 4-2 are connected so that gas flows from the cathode of the second stack 4-2 to the cathode of the first stack 4-1.
- the cathode of the first stack 4-1 is connected downstream to the combustor 8 via a line 17.
- the control method of the fuel cell system in this embodiment is the same as that of the previously described embodiment. That is, as shown in FIG. 2, first, the combustor 8 is started (step S10). Then, while the fuel cell stack 4 is warming up, a carbon removal step (S30) is performed.
- step S20 to S40 heated air flows from the cathode of the second stack 4-2 to the cathode of the first stack 4-1 in that order. Therefore, the second stack 4-2 is heated before the first stack 4-1. In other words, during warm-up, the temperature of the first stack 4-1 is less likely to rise than that of the second stack 4-2.
- air is supplied from the purge line 11 to the reforming section 5 provided in the first stack 4-1. That is, air is supplied to the reforming section 5 of the first stack 4-1, which is at a relatively low temperature. Since air is not supplied to the reforming catalyst, which is at a high temperature, oxidation deterioration of the reforming catalyst can be more reliably suppressed.
- the present embodiment relates to a control method for a fuel cell system 1.
- the fuel cell system 1 includes a reforming unit 5 that reforms a fuel gas containing hydrocarbons to generate a reformed gas, the reforming unit 5 having a reforming catalyst, and a fuel cell stack 4 configured to generate electricity using the reformed gas as an anode gas.
- the control method includes a normal operation step (S50) in which the fuel cell stack 4 generates electricity while supplying fuel gas to the reforming unit 5, and a carbon removal step (S30) in which carbon deposited on the reforming catalyst is removed.
- the carbon removal step (S30) includes a step of supplying air to the reforming unit 5.
- the flow rate of the air supplied to the reforming unit 5 in the carbon removal step (S30) is greater than the flow rate of the hydrocarbons supplied to the reforming unit 5 in the normal operation step (S50). According to this method, the deposited carbon can be removed by supplying air to the reforming unit 5 at a specific flow rate.
- the flow rate of air supplied to the reforming unit 5 in the carbon removal step (S30) is at least four times the flow rate of hydrocarbons supplied to the reforming unit 5 in the normal operation step (S50). This method makes it possible to more reliably remove precipitated carbon.
- the fuel gas contains methane.
- methane steam reforming reaction can be carried out in the reforming section 5. Since methane is a non-alcohol fuel, the reforming catalyst in the reforming section 5 is less likely to deteriorate due to acid sites.
- control method includes a step (S20) of determining whether or not to perform a carbon removal step based on the execution time of the normal operation step. This prevents the carbon removal step from being executed unnecessarily, thereby improving energy efficiency.
- control method includes a step (S20) of determining whether or not to perform a carbon removal step based on the outlet temperature of the reforming section. This prevents the carbon removal step from being performed unnecessarily, thereby improving energy efficiency.
- control method includes a startup step of starting up the fuel cell stack 4 before the normal operation step (S50).
- the carbon removal step (S30) is performed in the startup step. According to this method, the startup of the fuel cell stack and the carbon removal can be performed simultaneously, so that the fuel cell system 1 can be operated efficiently.
- the fuel cell system 1 further includes an air supply line 10 that supplies air to the cathode of the fuel cell stack 4, and a combustor 8 that is thermally connected to the air supply line 10 and heats the air.
- the start-up step includes a combustor start-up step of starting the combustor so that the temperature is equal to or higher than a predetermined temperature.
- the carbon removal step (S30) is performed after the combustor start-up step.
- the carbon removal step (S30) includes a step of sending the removed carbon to the combustor 8. According to this method, the carbon removed in the carbon removal step can be burned by the combustor 8. This makes it possible to render the carbon harmless and then discharge it to the outside.
- the fuel cell stack 4 has a first stack 4-1 and a second stack 4-2.
- the reforming section 5 is disposed at the anode in the first stack 4-1.
- the air supply line 10 is connected to the cathode of the second stack 4-2.
- the first stack 4-1 and the second stack 4-2 are connected so that gas flows from the anode of the first stack 4-1 to the anode of the second stack 4-2, and gas flows from the cathode of the second stack 4-2 to the cathode of the first stack 4-1.
- the start-up step includes a warm-up step in which the fuel cell stack 4 is heated by supplying air to the cathode of the second stack 4-2 via the air supply line 10 after the combustor start-up step.
- the carbon removal step (S30) is performed during the warm-up step. According to this method, in the carbon removal step, air is supplied to the reforming section 5 of the first stack 4-1, which is at a relatively low temperature. This prevents the reforming catalyst from being treated with oxygen at high temperatures, suppressing oxidative deterioration of the reforming catalyst.
- the carbon removal step (S30) includes a step of stopping the supply of air to the reforming section 5 when the reforming section temperature reaches the first temperature. This method prevents air from being supplied to the reforming section 5 at a high temperature. This makes it possible to suppress oxidation deterioration of the reforming catalyst.
- the carbon removal step (S30) includes a step of supplying air from the air supply unit 9 to the reforming unit 5 without heating the air. This method prevents the reforming catalyst from being treated with high-temperature oxygen. This makes it possible to suppress oxidative deterioration of the reforming catalyst.
- the carbon removal step (S30) includes a step of intermittently supplying air to the reforming section 5. This method can reduce the contact time between the reforming catalyst and oxygen. As a result, oxidation deterioration of the reforming catalyst can be suppressed.
- the carbon removal step (S30) includes a step of supplying air to the reforming section 5 at a flow rate that increases stepwise. With this method, the entire surface of the reforming catalyst is treated with air, allowing carbon to be removed more efficiently.
- the reforming section 5 is disposed within the fuel cell stack 4.
- the reforming catalyst is disposed inside the fuel cell stack 4, so the volume of the fuel cell system can be reduced. This is expected to improve power generation efficiency. In addition, costs can be reduced by reducing the number of parts.
- the fuel cell system 1 includes a reforming unit 5 having a reforming catalyst that reforms a fuel gas containing hydrocarbons to generate a reformed gas, a fuel cell stack 4 configured to generate electricity using the reformed gas as an anode gas, and a control device 3.
- the control device 3 is configured to execute a normal operation step and a carbon removal step.
- the control device 3 causes the fuel cell stack to generate electricity while supplying fuel gas to the reforming unit 5.
- the control device supplies air to the reforming unit 5.
- the flow rate of the air supplied to the reforming unit 5 in the carbon removal step is greater than the flow rate of the hydrocarbons supplied to the reforming unit 5 in the normal operation step. According to this fuel cell system 1, the precipitated carbon can be removed by supplying air to the reforming unit 5 at a specific high flow rate.
- Example 1 Using the fuel cell system 1 described in the third embodiment (see FIG. 10), normal operation was performed for 350 hours. The S/C ratio was set to 2. A mixed gas containing methane, water vapor, and N2 was used as the fuel gas. The GHSV was set to 65000 h -1 . The flow rate of methane (i.e., the flow rate of hydrocarbons) supplied to the reforming unit 5 was 0.35 NL/min. The operating temperature of the reforming unit was set to 650°C. A mixture containing Pt and Ni was used as the reforming catalyst.
- methane i.e., the flow rate of hydrocarbons
- a carbon removal step was carried out. Specifically, air was supplied to the reforming section 5 for 5 minutes at a flow rate (1.4 NL/min) four times the flow rate of methane during normal operation. After the carbon removal step, normal operation was carried out again. The hydrogen concentration at the outlet of the reforming section 5 was measured before and after the carbon removal step.
- Figure 11 shows a graph of operation time and amount of hydrogen generation.
- region A is the timing when the carbon removal step was performed.
- the amount of hydrogen generation decreased as normal operation was performed.
- Example 2 The amount of air supplied to the reforming unit 5 in the carbon removal step was changed, and an experiment was performed in the same manner as in Experimental Example 1. Specifically, air was supplied to the reforming unit 5 at flow rates 1, 3, 4, and 10 times the flow rate of methane during normal operation, and the carbon removal step was performed. After the carbon removal step, the hydrogen concentration at the outlet of the reforming unit 5 was measured.
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof.
水素を燃料として発電する燃料電池が知られている。そのような燃料電池において、水素を生成するために、改質触媒が用いられることがある。このような燃料電池においては、炭化水素を含む燃料ガスが改質触媒により改質され、水素を含有する改質ガスが生成される。そして、生成した改質ガスを用いて発電が行われる。 Fuel cells that use hydrogen as fuel to generate electricity are known. In such fuel cells, a reforming catalyst may be used to generate hydrogen. In such fuel cells, fuel gas containing hydrocarbons is reformed by the reforming catalyst to generate reformed gas containing hydrogen. The generated reformed gas is then used to generate electricity.
改質触媒を用いた燃料電池に関する技術が、例えば、特許文献1(JP2005-340075A)に記載されている。特許文献1には、特定の改質器を有する燃料電池の稼動を停止させる方法として、燃料電池内への空気の供給を継続して行いながら、特定の混合ガスを改質器を通して燃料電池内に供給し、改質触媒の温度が特定の温度範囲内に降温したときに、混合ガスの供給を停止し、混合ガスの供給を停止した後に、空気または炭化水素ガスをパージガスとして改質器を通して燃料電池に流すことが記載されている。
Technology relating to fuel cells using reforming catalysts is described, for example, in Patent Document 1 (JP2005-340075A).
ところで、改質触媒を連続運転すると、改質触媒を覆うようにカーボンが堆積することがある。改質触媒がカーボンで覆われると、反応面積が減り、改質性能が低下する。よって、堆積したカーボンは、除去されることが好ましい。 However, when a reforming catalyst is operated continuously, carbon may accumulate and cover the reforming catalyst. When the reforming catalyst is covered with carbon, the reaction area decreases and the reforming performance decreases. Therefore, it is preferable to remove the accumulated carbon.
そこで、本発明の目的は、改質触媒上に堆積したカーボンを除去することができる技術を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a technology that can remove carbon that has accumulated on a reforming catalyst.
本発明は、一態様において、燃料電池システムの制御方法に関する。燃料電池システムは、炭化水素を含む燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質部であって、改質触媒を有する改質部と、改質ガスをアノードガスとして発電するように構成された燃料電池スタックと、を有する。制御方法は、燃料ガスを改質部に対して供給しつつ、燃料電池スタックを発電させる、通常運転ステップと、改質触媒に堆積したカーボンを除去するカーボン除去ステップとを備える。カーボン除去ステップは、改質部に空気を供給するステップを含む。カーボン除去ステップにおいて改質部に供給される空気の流量は、通常運転ステップにおいて改質部に供給される炭化水素の流量よりも、大きい。 In one aspect, the present invention relates to a control method for a fuel cell system. The fuel cell system includes a reforming unit that reforms a fuel gas containing hydrocarbons to generate reformed gas, the reforming unit having a reforming catalyst, and a fuel cell stack configured to generate electricity using the reformed gas as an anode gas. The control method includes a normal operation step of causing the fuel cell stack to generate electricity while supplying fuel gas to the reforming unit, and a carbon removal step of removing carbon deposited on the reforming catalyst. The carbon removal step includes a step of supplying air to the reforming unit. The flow rate of air supplied to the reforming unit in the carbon removal step is greater than the flow rate of hydrocarbons supplied to the reforming unit in the normal operation step.
本発明は、他の一態様において、燃料電池システムに関する。燃料電池システムは、炭化水素を含む燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質部であって、改質触媒を有する改質部と、改質ガスをアノードガスとして発電するように構成された燃料電池スタックと、制御装置とを備える。制御装置は、通常運転ステップと、カーボン除去ステップとを実行するように構成されている。通常運転ステップにおいて、制御装置は、燃料ガスを改質部に対して供給しつつ、燃料電池スタックを発電させる。カーボン除去ステップにおいて、制御装置は、改質部に空気を供給する。カーボン除去ステップにおいて改質部に供給される空気の流量は、通常運転ステップにおいて改質部に供給される炭化水素の流量よりも、大きい。 In another aspect, the present invention relates to a fuel cell system. The fuel cell system includes a reforming section that reforms a fuel gas containing hydrocarbons to generate reformed gas, the reforming section having a reforming catalyst; a fuel cell stack configured to generate electricity using the reformed gas as an anode gas; and a control device. The control device is configured to execute a normal operation step and a carbon removal step. In the normal operation step, the control device causes the fuel cell stack to generate electricity while supplying fuel gas to the reforming section. In the carbon removal step, the control device supplies air to the reforming section. The flow rate of the air supplied to the reforming section in the carbon removal step is greater than the flow rate of the hydrocarbons supplied to the reforming section in the normal operation step.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
(1)第1の実施形態
図1は、第1の実施形態に係る燃料電池システム1を示す概略ブロック図である。図1に示されるように、燃料電池システム1は、制御装置3と、燃料電池スタック4と、改質部5と、燃料タンク6と、熱交換器7と、燃焼器8と、空気供給部9とを有している。なお、この燃料電池システム1は、通常運転時に、一定の出力(定格出力)で定常的に運転されるように構成されたものである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1) First embodiment Fig. 1 is a schematic block diagram showing a
燃料電池スタック4は、発電機能を実現する部分である。図示していないが、燃料電池スタック4は、アノード、電解質、及びカソードを有している。燃料電池スタック4は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。アノードガスとしては、改質部5から供給される改質ガスが使用される。カソードガスとしては、空気供給部9から供給される空気が使用される。
The
また、燃料電池スタック4は、そのアノードの下流側で、ライン19を介して燃焼器8に接続されている。また、燃料電池スタック4は、カソードの下流側で、ライン17を介して燃焼器8に接続されている。これにより、アノードからの排気と、カソードからの排気とは、いずれも燃焼器8に送られるようになっている。
改質部5は、燃料タンク6から供給される燃料ガスを改質して、水素を含有する改質ガスを生成するように構成されている。改質部5は、水蒸気改質により、改質ガスを生成する。水蒸気は、燃料ガスとともに燃料タンク6から供給されてもよいし、燃料ガスとは別の経路(図示せず)で改質部5に供給されてもよい。
The reforming
改質部5は、改質触媒を含んでいる。改質触媒としては、例えば、Pt/CeO2、Ni/CeO2、及びRh/CeO2等を用いることができる。
The reforming
改質部5は、ライン18を介して燃料電池スタック4のアノードに接続されている。改質部5で生成した改質ガスは、ライン18を介して、既述のように燃料電池スタック4のアノードに供給される。
The reforming
燃料タンク6は、燃料ガスを蓄える部分である。燃料タンク6は、ライン13を介して改質部5に接続されている。ライン13には、バルブ15が設けられている。また、燃料タンク6は、ライン14を介して燃焼器8にも接続されている。ライン14にはバルブ16が設けられている。
The
燃料ガスは、炭化水素を含む。炭化水素としては、メタンが好ましく挙げられる。メタンを用いた場合には、改質部5においてメタン水蒸気改質反応を実施することができる。メタンは非アルコール燃料であるため、改質部5における改質触媒が酸点により劣化し難くなる。
The fuel gas contains a hydrocarbon. A preferred example of the hydrocarbon is methane. When methane is used, a methane steam reforming reaction can be carried out in the reforming
空気供給部9は、燃料電池スタック4に対して、カソードガスとして、空気を供給するために設けられている。空気供給部9は、例えば、ブロワーにより実現される。空気供給部9は、空気供給ライン10を介して、燃料電池スタック4のカソードに接続されている。
The
空気供給部9は、改質部5に対しても空気を送ることも可能となっている。具体的には、空気供給ライン10は、パージライン11を介して、改質部5に接続されている。パージライン11には、バルブ12が設けられている。バルブ12を操作することにより、空気供給部9から改質部5に空気を供給することが可能となっている。
The
熱交換器7は、空気供給ライン10に設けられている。熱交換器7は、燃焼器8に熱的に接続されている。これにより、燃焼器8からの熱によって、空気供給ライン10を流れる空気が加熱されるようになっている。
The
なお、熱交換器7は、パージライン11と空気供給ライン10との接続部分よりも下流側に設けられている。従って、空気供給部9からパージライン11を介して改質部5に送られる空気は、熱交換器7により加熱されない。
The
燃焼器8は、上述の通り、熱交換器7を介して空気を加熱するために設けられている。燃焼器8には、燃料タンク6からの燃料ガスと、燃料電池スタック4のカソードからの排気ガスと、燃料電池スタック4のアノードからの排気ガスとが供給される。燃焼器8においては、これらのガスが燃焼する。燃焼器8において生成した燃焼ガスは、排ガスとして外部に排出される。
As described above, the
また、燃焼器8は、燃焼ガスが改質部5と熱交換した後、排ガスとして排出されるように、改質部5にも接続されている。
The
制御装置3は、燃料電池システム1全体の動作を制御するために設けられている。制御装置3は、例えば、CPU等の演算装置と、RAM及びROM等の記憶装置とを有するコンピュータにより実現される。すなわち、制御装置3は、演算装置が記憶装置に格納された制御プラグラムを実行することにより、その機能を実現する。
The control device 3 is provided to control the operation of the entire
以上が燃料電池システム1の概略的な構成である。続いて、燃料電池システム1の動作方法について説明する。
The above is a general configuration of
まず、通常運転時における燃料電池システム1の動作について説明する。通常運転時には、燃料電池システム1は、予め定められた一定の出力(定格出力)で運転される。
First, the operation of the
具体的には、制御装置3により、バルブ12が閉状態とされ、バルブ15及びバルブ16が開状態とされる。これにより、燃料タンク6から改質部5及び燃焼器8に燃料ガスが供給される。なお、改質部5には、一定の出力を得るため、一定流量で燃料ガスが供給される。改質部5では、水蒸気改質により、燃料ガスが改質され、改質ガスが生成する。生成した改質ガスはライン18を介して燃料電池スタック4のアノードに送られる。アノードに供給された改質ガスは、発電に使用された後、アノード排ガスとしてライン19を介して燃焼器8に送られる。
Specifically, the control device 3 closes
空気供給部9からは、空気供給ライン10及び熱交換器7を介して、燃料電池スタック4のカソードに空気が送られる。一定の出力を得るために、カソードには、一定の流量で空気が送られる。カソードに供給された空気は、発電に使用された後、カソード排ガスとしてライン17を介して燃焼器8に送られる。
Air is sent from the
燃焼器8においては、ライン14、ライン17、及びライン19から送られてきたガスが燃焼する。これにより、熱交換器7を介して空気が加熱される。すなわち、燃料電池スタック4に対しては、加熱された空気が供給されることになる。燃料電池は、通常、高温状態でその機能を発揮する。加熱された空気が供給されることにより、燃料電池スタック4において発電に必要な温度が維持される。なお、燃焼器8において生成した燃焼ガスは、排ガスとして排出される。また、燃焼ガスの一部は、改質部5と熱交換した後、排出される。従って、改質部5の温度も、改質反応に必要な温度に維持される。
In the
以上が通常運転時の動作である。 The above is how it works during normal operation.
ここで、運転の結果、改質部5において、改質触媒上にカーボンが析出することがある。その理由は、改質反応の副生成物であるCOの不均化反応(2CO→C+CO2)によるものと考えられる。カーボンによって改質触媒の表面が被覆されると、改質反応の効率が低下する。
As a result of operation, carbon may be deposited on the reforming catalyst in the
そこで、本実施形態においては、カーボン除去ステップが実施され、析出したカーボンが除去される。カーボン除去ステップにおいては、改質部5に対して空気が供給される。具体的には、制御装置3によりバルブ12(図1参照)が開状態とされ、パージライン11を介して改質部5に対して空気が供給される。なお、バルブ15は閉状態とされる。すなわち、燃料ガスは改質部5に供給されない。
In this embodiment, therefore, a carbon removal step is carried out to remove the deposited carbon. In the carbon removal step, air is supplied to the reforming
カーボン除去ステップにおいて改質部5に供給される空気は、大流量である。具体的には、通常運転時に改質部5に供給される炭化水素の流量以上の流量で、空気が改質部5に供給される。このような量で空気を改質部5に供給することによって、改質触媒上に析出したカーボンを除去することができ、改質触媒の機能を回復させることができる。なお、ここでいう「通常運転時に改質部に供給される炭化水素の流量」とは、燃料ガス全体としての流量ではなく、あくまで炭化水素の流量である。例えば、燃料ガス中に含まれる炭化水素がメタンである場合には、メタンの流量が「改質部5に供給される炭化水素の流量」である。
The air supplied to the reforming
好ましくは、カーボン除去ステップにおいて改質部5に供給される空気の流量は、通常運転時に改質部5に供給される炭化水素の流量の4倍以上である。このような流量で空気が供給されれば、カーボンをより確実に除去することができる。
Preferably, the flow rate of air supplied to the reforming
あるいは、モル数を基準にすると、カーボン除去ステップにおいて改質部5に供給される空気の酸素基準のモル流量(O2)は、通常運転時に改質部5に供給される燃料ガスの炭素基準のモル流量(C)に対して0.84以上であることが好ましい。このような流量で空気が供給されれば、カーボンをより確実に除去することができる。
Alternatively, when the number of moles is used as a standard, the oxygen-based molar flow rate ( O2 ) of the air supplied to the reforming
以上が本実施形態の概略的な構成及び動作である。上述の通り、本実施形態によれば、大流量で改質部5に対して空気を供給することにより、析出したカーボンを除去することができる。これにより、改質機能を回復させることができる。
The above is a general description of the configuration and operation of this embodiment. As described above, according to this embodiment, by supplying air to the reforming
なお、カーボン除去ステップの実施タイミングは特に限定されない。ただし、燃料電池システム1の起動時にカーボン除去ステップを実施すれば、カーボンの除去と燃料電池システム1の起動とを同時に実施できるので、効率的である。以下では、燃料電池システム1の起動時にカーボン除去ステップを実施する場合を例に挙げて、本実施形態に係る燃料電池システム1の制御方法を具体的に説明する。特に断りがない限り、以下の制御方法は、制御装置3により実施される。
The timing of the carbon removal step is not particularly limited. However, if the carbon removal step is performed when the
図2は、本実施形態に係る燃料電池システム1の制御方法を示すフローチャートである。この燃料電池システムの制御方法は、概略的には、起動ステップ(S10~S40)と、通常運転ステップ(S50)とを有している。起動ステップ(S10~S40)は、燃焼器8を起動するステップ(S10)と、カーボン除去の要否を判断するステップ(S20)と、カーボン除去ステップ(S30)と、POX運転を実施するステップ(S40)とを有している。なお、燃焼器8の起動ステップ(S10)の後は、燃料電池スタック4のカソードに対して、空気供給ライン10を介して加熱された空気が供給される。そのため、燃料電池スタック4が加熱される。すなわち、燃料電池スタック4が暖機される。従って、燃焼器8の起動後(ステップS10以降)に実施されるステップS20~S40は、燃料電池スタック4の暖機ステップにおいて実施されているといえる。
FIG. 2 is a flowchart showing a control method for the
以下に、各ステップについて詳述する。
(ステップS10:燃焼器の起動)
まず、燃焼器8を起動する。図3は、燃焼器8を起動するステップを示すフローチャートである。
Each step is described in detail below.
(Step S10: Start-up of combustor)
First, start up the
まず、空気供給部9を起動させる(ステップS11)。これにより、空気供給部9から、空気供給ライン10を介して、熱交換器7、燃料電池スタック4のカソード、及び燃焼器8の順に、空気が流れる。なお、バルブ12は、閉状態とされる。すなわち、改質部5に対して空気は供給されない。
First, the
また、燃焼器8のヒータ(図示せず)を動作させる(ステップS12)。
The heater (not shown) of the
続いて、燃焼器8の温度が所定温度以上になったか否かが判定される(ステップS13)。具体的には、制御装置3が、図示しない温度センサ等を介して燃焼器8の温度を測定する。そして、制御装置3は、測定結果を予め記憶された所定温度と比較する。ここでいう所定温度は、燃焼器8において燃焼反応が可能であるか否かの点から設定された温度である。例えば、燃焼器8に燃焼触媒が含まれる場合には、燃焼触媒のライトオフ温度(例えば350℃)が、所定温度として設定される。
Then, it is determined whether the temperature of the
燃焼器8の温度が所定温度以上になると、燃料ガスが燃焼器8に投入される(ステップS14)。すなわち、バルブ16が開かれ、燃料タンク6からライン14を介して燃焼器8に燃料ガスが供給される。これにより、燃焼器8において燃焼反応が進行し、燃焼器8が起動する。
When the temperature of the
既述のように、燃焼器8の起動以降、燃料電池スタック4のカソードに対しては、熱交換器7を介して加熱された空気が供給されることになる。すなわち、既述のように、燃料電池スタック4が暖機されることになる。また、改質部5も、燃焼器8から送られてくる燃焼ガスの熱によって加熱される。
(ステップS20:カーボン除去の要否判定)
図4は、ステップS20と、その次のカーボン除去ステップS30とを示すフローチャートである。燃焼器8の起動後、まず、カーボン除去ステップの要否が判定される(ステップS20)。
As described above, after the
(Step S20: Determining whether carbon removal is necessary)
4 is a flow chart showing step S20 and the subsequent carbon removal step S30. After the start-up of the
カーボン除去ステップの要否は、例えば累積運転時間により判定される。例えば、制御装置3は、前回カーボン除去ステップを実施してからの累積運転時間をデータとして記憶するように構成されている。制御装置3は、この累積運転時間を、予め設定された所定時間と比較する。そして、累積運転時間が所定時間を超えている場合には、カーボン除去ステップが必要であると判断する。 Whether or not a carbon removal step is required is determined, for example, based on the accumulated operating time. For example, the control device 3 is configured to store the accumulated operating time since the previous carbon removal step was performed as data. The control device 3 compares this accumulated operating time with a preset specified time. Then, if the accumulated operating time exceeds the specified time, it determines that a carbon removal step is required.
あるいは、カーボン除去ステップの要否は、前回運転時における改質性能に基づいて、判定されてもよい。改質性能は、例えば、改質部5の出口温度等に基づいて判定することもできる。改質部5における改質反応は吸熱反応である。そのため、改質機能が低下すると、改質部5の出口温度が上昇する。すなわち、改質部5の出口温度は、改質部5における改質性能を反映しているといえる。従って、前回運転時における改質部5の出口温度に基づいて、カーボン除去ステップの要否を判断することもできる。例えば、制御装置は、前回の運転時における改質部5の出口温度と、予め設定された初期状態における改質部5の出口温度とを比較し、その差が所定値(例えば初期状態の値の10%)以上である場合にカーボン除去ステップの要否を判断することができる。
Alternatively, the necessity of the carbon removal step may be determined based on the reforming performance during the previous operation. The reforming performance can also be determined based on, for example, the outlet temperature of the reforming
判定の結果、カーボン除去ステップが不要である場合には、次回の起動時にカーボン除去ステップの要否を判定することとし、ステップS40以降の処理が実施される。これにより、不必要にカーボン除去ステップが実施されることがなくなり、エネルギー効率を上げることができる。 If the result of the determination is that the carbon removal step is not necessary, the necessity of the carbon removal step will be determined the next time the device is started, and the processing from step S40 onwards will be carried out. This prevents the carbon removal step from being carried out unnecessarily, thereby improving energy efficiency.
一方、カーボン除去ステップが必要であると判定された場合には、次のカーボン除去ステップS30が実施される。
(ステップS30:カーボン除去ステップ)
カーボン除去ステップでは、既述の通り、バルブ12(図1参照)が開かれる(ステップS31)。これにより、空気供給部9からパージライン11を介して改質部5に空気が供給される。既述のように、この際、空気は、所定の大流量で改質部5に供給される。
On the other hand, if it is determined that a carbon removal step is necessary, the next carbon removal step S30 is carried out.
(Step S30: Carbon Removal Step)
In the carbon removal step, as described above, the valve 12 (see FIG. 1) is opened (step S31). This causes air to be supplied from the
空気の供給により、改質部5から析出したカーボンが除去される。除去されたカーボンは、燃料電池スタック4のアノード及びライン19を介して燃焼器8に送られる。そして、燃焼器8において燃焼させられ、無害化された後に外部に排出される。
The supply of air removes the carbon that has precipitated from the reforming
なお、空気は、空気供給部9から、加熱されることなく改質部5に供給される。高温状態で改質部5に空気が供給されると、改質触媒が酸化劣化することがある。しかし、本実施形態によれば、空気が加熱されることなく供給されるため、改質触媒の酸化劣化を抑制できる。また、改質部5の下流に位置する燃料電池スタック4のアノードにおいても、同様に、電極材料の酸化劣化が抑制される。
The air is supplied from the
空気の供給中においても、改質部5は燃焼器8からの熱によって加熱されているので、その温度は増加していく。そこで、カーボン除去ステップは、改質部5の温度が所定温度に達するまで行われる。具体的には、制御装置3は、空気の供給中、改質部5の温度が予め設定された第1温度に達したか否かを判定する(ステップS32)。例えば、制御装置3は、図示しないセンサを用いて、改質部5の温度を測定する。改質部5の温度は、改質部5の出口温度を測定することにより、間接的に求められてもよい。
Even while air is being supplied, the reforming
ステップS32において改質部5の温度が第1温度に達していたと判定した場合、制御装置3は、バルブ12を閉じる。これにより、改質部5に対する空気の供給が停止される(ステップS33)。すなわち、カーボン除去ステップが終了する。
If it is determined in step S32 that the temperature of the reforming
上述の第1温度は、改質部5に含まれる物質の劣化の観点から設定される。改質部5の温度が高い状態で改質部5に空気を供給すると、シンタリングや酸化により、改質触媒が劣化することがある。また、その下流の燃料電池スタック4においても、アノードが酸化劣化しやすくなる。これに対して、第1温度に達した段階で空気の供給を停止することにより、改質触媒やアノードの酸化劣化を防ぐことができる。第1温度は、例えば300℃である。
The above-mentioned first temperature is set from the viewpoint of deterioration of the substances contained in the reforming
なお、カーボン除去ステップは、例えば15秒以上、好ましくは30秒以上、より好ましくは1分以上行われることが好ましい。
(ステップS40:POX運転)
カーボン除去ステップ(S30)の終了後、POX運転ステップ(S40)が実施される。図5は、POX運転ステップ(ステップS40)を示すフローチャートである。POX運転は、燃料電池スタック4の暖機を促進するために実施される。
The carbon removal step is preferably carried out for, for example, 15 seconds or more, preferably 30 seconds or more, and more preferably 1 minute or more.
(Step S40: POX operation)
After the carbon removal step (S30) is completed, the POX operation step (S40) is carried out. Fig. 5 is a flow chart showing the POX operation step (S40). The POX operation is carried out to promote warming up of the
具体的には、カーボン除去ステップの終了後も、改質部5は、燃焼器8からの燃焼ガスにより、加熱される。そこで、ステップS41において、制御装置3は、改質部5の温度が、予め設定された第2温度以上になったか否かを判定する。第2温度は、POX反応(部分酸化反応:CH4+1/2O2→CO+2H2)が進行するか否かから決められる温度であり、第1温度よりも高い温度であり、例えば400℃である。
Specifically, even after the carbon removal step is completed, the reforming
ステップS41において改質部5の温度が第2温度に達していたと判断されると、バルブ12が解放され、空気がパージライン11(図1参照)を介して改質部5に供給される(ステップS42)。また、バルブ15(図1参照)が解放され、燃料タンク6から改質部5に対して燃料ガスが供給される(ステップS43)。これにより、改質部5においてPOX反応が進行する。なお、ステップS42において改質部5に供給される空気の量は、POX反応が進行する程度の量であればよく、その量はカーボン除去ステップ(S30)における量に比べて十分に小さい。
If it is determined in step S41 that the temperature of the reforming
その後、定常発電が可能となったか否か(例えば、改質部5の温度が所望する温度に達したか否か)が判断され(ステップS44)、定常発電が可能となったと判断された場合には、通常運転が実施される。なお、通常運転時には、既述の通り、バルブ12は閉じられ、改質部5に対して空気は供給されない。
Then, it is determined whether steady-state power generation is possible (for example, whether the temperature of the reforming
以上、第1の実施形態について説明した。上述の通り、本実施形態によれば、カーボン除去ステップ(S30)において、大流量で空気が改質部5に供給されるから、改質触媒に析出したカーボンを除去することができ、改質性能を回復することができる。
The first embodiment has been described above. As described above, according to this embodiment, in the carbon removal step (S30), air is supplied to the reforming
また、カーボン除去ステップ(S30)が起動ステップにおいて実施されるため、燃料電池システム1の起動とカーボンの除去とを同時に実施できる。これにより、効率よくカーボンを除去することができる。
In addition, since the carbon removal step (S30) is performed during the startup step, startup of the
また、本実施形態においては、カーボン除去ステップ(S30)が、燃焼器8の起動後に実施される。このため、改質部5から除去されたカーボンを、燃焼器8において燃焼させることができる。これにより、除去されたカーボンを無害化した上で外部に排出することができる。
In addition, in this embodiment, the carbon removal step (S30) is performed after the
なお、カーボン除去ステップ(S30)において改質部5に供給される空気の供給量は、一定であってもよいが、そうでなくてもよい。以下、変形例を挙げつつ、空気の供給量について説明する。
The amount of air supplied to the reforming
図6は、本実施形態の一変形例を示すグラフであり、カーボン除去ステップ(S30)において改質部5に供給される空気の流量と時間との関係を示すグラフである。この例では、カーボン除去ステップ(S30)の開始後、一定の流量で、空気が供給される。この変形例のように、空気は、例えば、一定流量で改質部5に供給することができる。
FIG. 6 is a graph showing a variation of this embodiment, which shows the relationship between the flow rate of air supplied to the reforming
一方、図7は、他の変形例を示すグラフであり、カーボン除去ステップ(S30)において改質部5に供給される空気の流量と時間との関係を示すグラフである。この例では、空気が、間欠的に供給されている。そして、空気供給時の流量(図中、「A」参照)が、通常運転時における炭化水素の流量よりも大きい。
On the other hand, FIG. 7 is a graph showing another modified example, which shows the relationship between the flow rate of air supplied to the reforming
図7に示した変形例によれば、間欠的に空気が供給されることにより、改質触媒と空気との接触時間を減らすことができる。従って、改質触媒の酸化劣化を防止できる。また、同様の理由により、改質部5の下流に位置する燃料電池スタック4においても、アノード電極の酸化劣化を抑制することができる。
In the modified example shown in FIG. 7, the contact time between the reforming catalyst and air can be reduced by supplying air intermittently. This prevents oxidation degradation of the reforming catalyst. For the same reason, oxidation degradation of the anode electrode can also be suppressed in the
図8は、更なる他の変形例を示すグラフであり、カーボン除去ステップ(S30)において改質部5に供給される空気の流量と時間との関係を示すグラフである。この例では、空気の供給量が、段階的に増加させられる。そして、最終的な空気の流量(図中、「A」参照)が、通常運転時における炭化水素の流量よりも大きい。
Figure 8 is a graph showing yet another modified example, which shows the relationship between the flow rate of air supplied to the reforming
図8に示した変形例によれば、段階的に空気の流量が増加するため、改質触媒の表面が全体的に空気で処理されやすくなる。これにより、より効率よくカーボンを除去することができる。 In the modified example shown in Figure 8, the air flow rate increases stepwise, making it easier for the entire surface of the reforming catalyst to be treated with air. This allows for more efficient carbon removal.
本実施形態における燃料電池システム1の用途は特に限定されないが、例えば車載用である。車載用の燃料電池システム1では、小型化が求められる。その結果、厳しい条件(例えば、高SV、低S/C)で使用される。そのため、改質触媒上にカーボンが析出しやすくなる。本実施形態は、このようなカーボン析出に関する問題を解決できるから、車載用の燃料電池システムにおいて特に有用である。
The use of the
本実施形態において、通常運転時のS/C比(炭素に対する水蒸気のモル比)は、例えば5以下であり、好ましくは1~5、より好ましくは1~3である。このような低S/C比で使用される燃料電池では、上述の通り、改質触媒上にカーボンが析出しやすくなる。本実施形態は、カーボン析出に関する問題を解決できるから、このようなS/C比で運転される燃料電池において特に価値がある。 In this embodiment, the S/C ratio (molar ratio of water vapor to carbon) during normal operation is, for example, 5 or less, preferably 1 to 5, and more preferably 1 to 3. In fuel cells used at such low S/C ratios, as described above, carbon is prone to deposit on the reforming catalyst. This embodiment is particularly valuable in fuel cells operated at such S/C ratios, as it can solve the problem of carbon deposition.
本実施形態において、通常運転時に改質部5に供給される気体の空間速度GHSVは、例えば30000h-1以上であり、好ましくは40000~100000h-1である。このようなGHSVで使用される燃料電池では、過酷な条件で使用される燃料電池であると言え、上述の通り、改質触媒上にカーボンが析出しやすくなる。本実施形態は、カーボン析出に関する問題を解決できるから、このようなGHSVで使用される燃料電池システムにおいて特に価値がある。
(2)第2の実施形態
続いて、第2の実施形態について説明する。図9は、第2の実施形態に係る燃料電池システム1を示す概略ブロック図である。なお、第1の実施形態と同様の構成を採用できる点については、詳細な説明を省略する。
In this embodiment, the space velocity GHSV of the gas supplied to the reforming
(2) Second embodiment Next, a second embodiment will be described. Fig. 9 is a schematic block diagram showing a
図9に示されるように、本実施形態では、改質部5が、燃料電池スタック4のアノードに設けられている。すなわち、燃料電池スタック4のアノードに改質触媒が含まれている。従って、パージライン11は、燃料電池スタック4のアノードに接続されている。燃料ガスを供給するためのライン13も、燃料電池スタック4のアノードに接続されている。
As shown in FIG. 9, in this embodiment, the reforming
本実施形態における燃料電池システムの制御方法は、基本的には、第1の実施形態と同じである。ただし、本実施形態では、燃焼器入口温度が、改質部5における改質性能を反映している。従って、ステップS20(図4参照)においては、前回運転時の燃焼器入口温度に基づいて、カーボン除去ステップの要否を判断することができる。また、改質部5の温度は、アノードの出口温度に反映される。従って、ステップS32(図4参照)及びステップS41(図5参照)においては、アノードの出口温度に基づいて、改質部5の温度が所定温度に達したか否かが判定されてもよい。
The control method of the fuel cell system in this embodiment is basically the same as that in the first embodiment. However, in this embodiment, the combustor inlet temperature reflects the reforming performance in the
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、カーボン除去ステップを実施することにより、析出したカーボンを除去することができ、改質性能を回復することができる。加えて、本実施形態によれば、改質触媒が燃料電池スタック4の内部に配置されているため、燃料電池システムの容積を低減することができる。これにより、発電効率の向上が期待できる。また、部品点数の減少によるコストの低減が期待できる。
(3)第3の実施形態
続いて、第3の実施形態について説明する。図10は、第3の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略ブロック図である。なお、既述の実施形態と同様の構成を採用できる点については、詳細な説明を省略する。
In this embodiment, as in the first embodiment, by carrying out the carbon removal step, the deposited carbon can be removed and the reforming performance can be restored. In addition, according to this embodiment, since the reforming catalyst is disposed inside the
(3) Third embodiment Next, a third embodiment will be described. Fig. 10 is a schematic block diagram showing a fuel cell system according to a third embodiment. Note that detailed description will be omitted for the points where the same configuration as the above-mentioned embodiments can be adopted.
本実施形態においては、燃料電池スタック4が、第1スタック4-1と、第2スタック4-2とを有している。各スタック(4-1、4-2)は、アノード、電解質層(図示せず)、及びカソードを有している。
In this embodiment, the
改質部5は、第1スタック4-1のアノードに配置されている。従って、パージライン11は、第1スタック4-1のアノードに接続されている。燃料ガスを供給するためのライン13も、第1スタック4-1のアノードに接続されている。第1スタック4-1のアノードは、その下流側で第2スタック4-2のアノードに接続されている。すなわち、第1スタック4-1と第2スタック4-2とは、第1スタック4-1のアノードから第2スタック4-2のアノードに向かってガスが流れるように接続されている。なお、第2スタック4-2のアノードは、その下流側で、ライン19を介して燃焼器8に接続されている。
The reforming
一方、空気供給ライン10は、第2スタック4-2のカソードに接続されている。第2スタック4-2のカソードは、その下流側で、第1スタック4-1のカソードに接続されている。すなわち、第1スタック4-1と第2スタック4-2とは、第2スタック4-2のカソードから第1スタック4-1のカソードにガスが流れるように接続されている。なお、第1スタック4-1のカソードは、その下流側で、ライン17を介して燃焼器8に接続されている。
On the other hand, the
本実施形態における燃料電池システムの制御方法は、既述の実施形態と同様である。すなわち、図2に示したように、まず、燃焼器8が起動させられる(ステップS10)。その後、燃料電池スタック4の暖機中に、カーボン除去ステップ(S30)が実施される。
The control method of the fuel cell system in this embodiment is the same as that of the previously described embodiment. That is, as shown in FIG. 2, first, the
ここで、本実施形態においては、燃料電池スタック4の暖機中(ステップS20~S40)において、加熱された空気が、第2スタック4-2のカソードから第1スタック4-1のカソードの順に流れる。従って、第2スタック4-2の方が第1スタック4-1よりも先に加熱される。言い換えれば、暖機中、第1スタック4-1の温度は、第2スタック4-2に比べて上がりにくい。 In this embodiment, during warm-up of the fuel cell stack 4 (steps S20 to S40), heated air flows from the cathode of the second stack 4-2 to the cathode of the first stack 4-1 in that order. Therefore, the second stack 4-2 is heated before the first stack 4-1. In other words, during warm-up, the temperature of the first stack 4-1 is less likely to rise than that of the second stack 4-2.
一方、カーボン除去ステップ(S30)においては、第1スタック4-1に設けられた改質部5に対して、パージライン11から空気が供給される。すなわち、比較的低温である第1スタック4-1の改質部5に、空気が供給される。高温状態の改質触媒に空気が供給されないため、改質触媒の酸化劣化をより確実に抑制できる。
On the other hand, in the carbon removal step (S30), air is supplied from the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the above embodiments merely show some of the application examples of the present invention, and are not intended to limit the technical scope of the present invention to the specific configurations of the above embodiments.
以下に、本発明の実施形態の構成と作用効果との関係について、代表的なものを要約する。 Below is a summary of the most representative relationships between the configurations and effects of embodiments of the present invention.
一態様において、本実施形態は、燃料電池システム1の制御方法に関する。燃料電池システム1は、炭化水素を含む燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質部5であって、改質触媒を有する改質部5と、改質ガスをアノードガスとして発電するように構成された燃料電池スタック4と、を有する。制御方法は、燃料ガスを改質部5に対して供給しつつ、燃料電池スタック4を発電させる、通常運転ステップ(S50)と、改質触媒に堆積したカーボンを除去するカーボン除去ステップ(S30)とを備える。カーボン除去ステップ(S30)は、改質部5に空気を供給するステップを含む。カーボン除去ステップ(S30)において改質部5に供給される空気の流量は、通常運転ステップ(S50)において改質部5に供給される炭化水素の流量よりも、大きい。このような方法によれば、改質部5に対して特定流量で空気を供給することにより、析出したカーボンを除去することができる。
In one aspect, the present embodiment relates to a control method for a
好ましくは、カーボン除去ステップ(S30)において改質部5に供給される空気の流量は、通常運転ステップ(S50)において改質部5に供給される炭化水素の流量の4倍以上である。このような方法によれば、析出したカーボンをより確実に除去することが可能となる。
Preferably, the flow rate of air supplied to the reforming
好ましくは、燃料ガスは、メタンを含む。このような方法によれば、改質部5においてメタン水蒸気改質反応を実施することができる。メタンは非アルコール燃料であるため、改質部5における改質触媒が酸点により劣化し難くなる。
Preferably, the fuel gas contains methane. With this method, a methane steam reforming reaction can be carried out in the reforming
好ましい一態様において、制御方法は、通常運転ステップの実施時間に基づいて、カーボン除去ステップを実施するか否かを決定するステップ(S20)を有する。これにより、不必要にカーボン除去ステップが実施されることがなく、エネルギー効率を上げることができる。 In a preferred embodiment, the control method includes a step (S20) of determining whether or not to perform a carbon removal step based on the execution time of the normal operation step. This prevents the carbon removal step from being executed unnecessarily, thereby improving energy efficiency.
好ましい一態様において、制御方法は、改質部の出口温度に基づいて、カーボン除去ステップを実施するか否かを決定するステップ(S20)を有する。これにより、不必要にカーボン除去ステップが実施されることがなく、エネルギー効率を上げることができる。 In a preferred embodiment, the control method includes a step (S20) of determining whether or not to perform a carbon removal step based on the outlet temperature of the reforming section. This prevents the carbon removal step from being performed unnecessarily, thereby improving energy efficiency.
好ましい一態様において、制御方法は、通常運転ステップ(S50)の前に、燃料電池スタック4を起動する起動ステップを備える。カーボン除去ステップ(S30)は、起動ステップにおいて実施される。この方法によれば、燃料電池スタックの起動とカーボンの除去を同時に実施できるため、効率的に燃料電池システム1を運転することができる。
In a preferred embodiment, the control method includes a startup step of starting up the
好ましい一態様において、燃料電池システム1は、更に、燃料電池スタック4のカソードに空気を供給する空気供給ライン10と、空気供給ライン10に熱的に接続され、空気を加熱する、燃焼器8と、を備える。起動ステップは、燃焼器を所定温度以上になるように起動する燃焼器起動ステップを備える。カーボン除去ステップ(S30)は、燃焼器起動ステップの後に実施される。カーボン除去ステップ(S30)は、除去したカーボンを、燃焼器8に送るステップを含んでいる。この方法によれば、カーボン除去ステップにおいて除去されたカーボンを、燃焼器8により燃焼させることができる。これにより、カーボンを無害化させた後、外部に排出することが可能となる。
In a preferred embodiment, the
好ましい一態様において、燃料電池スタック4は、第1スタック4-1と、第2スタック4-2とを有している。改質部5は、第1スタック4-1におけるアノードに配置されている。空気供給ライン10は、第2スタック4-2のカソードに接続されている。第1スタック4-1と第2スタック4-2は、第1スタック4-1のアノードから第2スタック4-2のアノードにガスが流れ、かつ、第2スタック4-2のカソードから第1スタック4-1のカソードにガスが流れるように接続されている。起動ステップは、燃焼器起動ステップの後に、空気供給ライン10を介して第2スタック4-2のカソードに空気を供給することによって燃料電池スタック4を加熱する、暖機ステップを有している。カーボン除去ステップ(S30)は、暖機ステップ中に実施される。この方法によれば、カーボン除去ステップにおいて、比較的低温である第1スタック4-1の改質部5に空気が供給される。高温状態で改質触媒が酸素により処理されることが避けられるため、改質触媒の酸化劣化を抑制できる。
In a preferred embodiment, the
好ましい一態様において、カーボン除去ステップ(S30)は、改質部温度が第1温度に達した場合に改質部5に対する空気の供給を停止するステップを含んでいる。この方法によれば、高温状態の改質部5に空気が供給されることが避けられる。これにより、改質触媒の酸化劣化を抑制できる。
In a preferred embodiment, the carbon removal step (S30) includes a step of stopping the supply of air to the reforming
好ましい一態様において、カーボン除去ステップ(S30)は、空気供給部9から、加熱することなく空気を改質部5に供給するステップを含んでいる。この方法によれば、改質触媒が高温の酸素により処理されることが避けられる。これにより、改質触媒の酸化劣化を抑制できる。
In a preferred embodiment, the carbon removal step (S30) includes a step of supplying air from the
好ましい一態様において、カーボン除去ステップ(S30)は、改質部5に対して間欠的に空気を供給するステップを含んでいる。この方法によれば、改質触媒と酸素との接触時間を減らすことができる。その結果、改質触媒の酸化劣化を抑制できる。
In a preferred embodiment, the carbon removal step (S30) includes a step of intermittently supplying air to the reforming
好ましい一態様において、カーボン除去ステップ(S30)は、改質部5に対して、流量が段階的に大きくなるように空気を供給するステップを含んでいる。この方法によれば、改質触媒の表面が全体的に空気で処理されることとなり、より効率よくカーボンを除去することができる。
In a preferred embodiment, the carbon removal step (S30) includes a step of supplying air to the reforming
好ましい一態様において、改質部5は、燃料電池スタック4内に配置されている。この方法によれば、改質触媒が燃料電池スタック4の内部に配置されているため、燃料電池システムの容積を低減することができる。これにより、発電効率の向上が期待できる。また、部品点数の減少によるコストの低減が期待できる。
In a preferred embodiment, the reforming
一態様において、燃料電池システム1は、炭化水素を含む燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質部5であって、改質触媒を有する改質部5と、改質ガスをアノードガスとして発電するように構成された燃料電池スタック4と、制御装置3と、を備える。制御装置3は、通常運転ステップと、カーボン除去ステップとを実行するように構成されている。通常運転ステップにおいて、制御装置3は、燃料ガスを改質部5に対して供給しつつ、燃料電池スタックを発電させる。カーボン除去ステップにおいて、制御装置は、改質部5に空気を供給する。カーボン除去ステップにおいて改質部5に供給される空気の流量は、通常運転ステップにおいて改質部5に供給される炭化水素の流量よりも、大きい。この燃料電池システム1によれば、改質部5に対して特定の大流量で空気を供給することにより、析出したカーボンを除去することができる。
In one aspect, the
以下に、本発明をより詳細に説明するため、本発明者によって行われた実施例について説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定して解釈されるべきものではない。
(実験例1)
第3の実施形態(図10参照)において説明した燃料電池システム1を用いて、通常運転を350時間実施した。S/C比は2とした。燃料ガスとしては、メタン、水蒸気及びN2を含む混合ガスを用いた。GHSVは65000h-1とした。なお、改質部5に供給されるメタンの流量(すなわち炭化水素の流量)は、0.35NL/minであった。改質部の運転温度は650℃とした。改質触媒としては、PtとNiとを含む混合物を用いた。
In the following, examples carried out by the present inventors will be described in more detail in order to explain the present invention in more detail. However, the present invention should not be construed as being limited to the following examples.
(Experimental Example 1)
Using the
350時間の通常運転実施後、カーボン除去ステップを実施した。具体的には、改質部5に対して、通常運転時のメタンの流量の4倍の流量(1.4NL/min)で、空気を5分間に供給した。カーボン除去ステップの実施後、再び、通常運転を実施した。カーボン除去ステップの前後において、改質部5の出口における水素濃度を測定した。
After 350 hours of normal operation, a carbon removal step was carried out. Specifically, air was supplied to the reforming
結果を図11に示す。図11には、運転時間と水素発生量とのグラフが示されている。図11において、領域Aが、カーボン除去ステップを実施したタイミングである。図11に示されるように、通常運転の実施に伴い、水素発生量は低下した。これに対して、カーボン除去ステップを実施することにより、水素発生量が増加し、改質性能が回復したことが確認された。
(実験例2)
カーボン除去ステップにおける改質部5に対する空気供給量を変更し、実験例1と同様に実験を行った。具体的には、通常運転時のメタンの流量に対して、1倍、3倍、4倍、及び10倍の流量で、空気を改質部5に供給し、カーボン除去ステップを実施した。カーボン除去ステップの後、改質部5の出口における水素濃度を測定した。
The results are shown in Figure 11. Figure 11 shows a graph of operation time and amount of hydrogen generation. In Figure 11, region A is the timing when the carbon removal step was performed. As shown in Figure 11, the amount of hydrogen generation decreased as normal operation was performed. In contrast, it was confirmed that the amount of hydrogen generation increased and reforming performance was restored by performing the carbon removal step.
(Experimental Example 2)
The amount of air supplied to the reforming
図12に、初期性能と併せて結果を示す。図12に示されるように、4倍の流量で空気を供給した場合に、それ未満の流量の場合に比べて、出口H2濃度が顕著に増加した。
(実験例3)
実験例1において、カーボン除去ステップにおける空気の供給時間を1分間に変更した。その他は実験例1と同様の条件とした。そして、カーボン除去ステップの前後において同様に改質性能を確認したところ、改質性能が回復していたことが確認された。
(実験例4)
実験例1において、改質触媒として、Rhを含むものに変更した。その他は実験例1と同様の条件とした。そして、カーボン除去ステップの前後において同様に改質性能を確認したところ、改質性能が回復していたことが確認された。
The results, along with the initial performance, are shown in Figure 12. As shown in Figure 12, when air was supplied at four times the flow rate, there was a significant increase in the outlet H2 concentration compared to the lower flow rates.
(Experimental Example 3)
In Experimental Example 1, the air supply time in the carbon removal step was changed to 1 minute. The other conditions were the same as those in Experimental Example 1. Then, when the reforming performance was similarly confirmed before and after the carbon removal step, it was confirmed that the reforming performance was restored.
(Experimental Example 4)
In Experimental Example 1, the reforming catalyst was changed to one containing Rh. The other conditions were the same as those in Experimental Example 1. Then, when the reforming performance was similarly confirmed before and after the carbon removal step, it was confirmed that the reforming performance was restored.
Claims (14)
前記燃料電池システムは、
炭化水素を含む燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質部であって、改質触媒を有する改質部と、
前記改質ガスをアノードガスとして発電するように構成された燃料電池スタックと、を有し、
前記制御方法は、
前記燃料ガスを前記改質部に対して供給しつつ、前記燃料電池スタックを発電させる、通常運転ステップと、
前記改質触媒に堆積したカーボンを除去するカーボン除去ステップとを備え、
前記カーボン除去ステップは、前記改質部に空気を供給するステップを含み、
前記カーボン除去ステップにおいて前記改質部に供給される空気の流量は、前記通常運転ステップにおいて前記改質部に供給される前記炭化水素の流量よりも、大きい、
燃料電池システムの制御方法。 A method for controlling a fuel cell system, comprising:
The fuel cell system includes:
a reforming unit that reforms a fuel gas containing a hydrocarbon to generate a reformed gas, the reforming unit having a reforming catalyst;
a fuel cell stack configured to generate electricity using the reformed gas as an anode gas;
The control method includes:
a normal operation step of causing the fuel cell stack to generate power while supplying the fuel gas to the reformer;
A carbon removal step of removing carbon deposited on the reforming catalyst,
The carbon removal step includes a step of supplying air to the reforming section,
The flow rate of the air supplied to the reforming unit in the carbon removal step is greater than the flow rate of the hydrocarbons supplied to the reforming unit in the normal operation step.
A method for controlling a fuel cell system.
前記カーボン除去ステップにおいて前記改質部に供給される空気の流量は、前記通常運転ステップにおいて前記改質部に供給される前記炭化水素の流量の4倍以上である、
制御方法。 2. The control method according to claim 1,
A flow rate of the air supplied to the reforming unit in the carbon removal step is four times or more than a flow rate of the hydrocarbons supplied to the reforming unit in the normal operation step.
Control methods.
前記燃料ガスは、メタンを含む
制御方法。 3. The control method according to claim 1 or 2,
The method of claim 1, wherein the fuel gas comprises methane.
更に、
前記通常運転ステップの実施時間に基づいて、前記カーボン除去ステップを実施するか否かを決定するステップを有する、
制御方法。 3. The control method according to claim 1 or 2,
Furthermore,
A step of determining whether to perform the carbon removal step based on an implementation time of the normal operation step.
Control methods.
更に、
前記改質部の出口温度に基づいて、前記カーボン除去ステップを実施するか否かを決定するステップを有する、
制御方法。 3. The control method according to claim 1 or 2,
Furthermore,
A step of determining whether or not to perform the carbon removal step based on an outlet temperature of the reforming section.
Control methods.
更に、
前記通常運転ステップの前に、前記燃料電池スタックを起動する起動ステップを備え、
前記カーボン除去ステップは、前記起動ステップにおいて実施される、
制御方法。 3. The control method according to claim 1 or 2,
Furthermore,
a start-up step of starting up the fuel cell stack before the normal operation step;
The decarbonization step is carried out during the start-up step.
Control methods.
前記燃料電池システムは、更に、
前記燃料電池スタックのカソードに前記空気を供給する空気供給ラインと、
前記空気供給ラインに熱的に接続され、前記空気を加熱する、燃焼器と、を備え、
前記起動ステップは、前記燃焼器を所定温度以上になるように起動する燃焼器起動ステップを備え、
前記カーボン除去ステップは、前記燃焼器起動ステップの後に実施され、
前記カーボン除去ステップは、除去したカーボンを、前記燃焼器に送るステップを含んでいる、
制御方法。 7. The control method according to claim 6,
The fuel cell system further comprises:
an air supply line for supplying the air to the cathode of the fuel cell stack;
a combustor thermally connected to the air supply line for heating the air;
The starting step includes a combustor starting step of starting the combustor so that the temperature of the combustor becomes equal to or higher than a predetermined temperature,
The decoking step is performed after the combustor start-up step;
The carbon removal step includes sending the removed carbon to the combustor.
Control methods.
前記燃料電池スタックは、
第1スタックと、
第2スタックとを有しており、
前記改質部は、前記第1スタックにおけるアノードに配置されており、
前記空気供給ラインは、前記第2スタックのカソードに接続されており、
前記第1スタックと前記第2スタックは、前記第1スタックのアノードから前記第2スタックのアノードにガスが流れ、かつ、前記第2スタックのカソードから前記第1スタックのカソードにガスが流れるように接続されており、
前記起動ステップは、前記燃焼器起動ステップの後に、前記空気供給ラインを介して前記第2スタックのカソードに前記空気を供給することによって前記燃料電池スタックを加熱する、暖機ステップを有し、
前記カーボン除去ステップは、前記暖機ステップ中に実施される、
制御方法。 8. The control method according to claim 7,
The fuel cell stack comprises:
A first stack;
a second stack,
the reformer is disposed on the anode of the first stack,
the air supply line is connected to the cathode of the second stack;
the first stack and the second stack are connected such that a gas flows from the anode of the first stack to the anode of the second stack and from the cathode of the second stack to the cathode of the first stack;
the startup step includes a warm-up step of heating the fuel cell stack by supplying the air to the cathode of the second stack through the air supply line after the combustor startup step;
The decoking step is performed during the warm-up step.
Control methods.
前記カーボン除去ステップは、前記改質部の温度が第1温度に達した場合に前記改質部に対する前記空気の供給を停止するステップを含んでいる、
制御方法。 3. The control method according to claim 1 or 2,
The carbon removal step includes a step of stopping the supply of the air to the reforming unit when the temperature of the reforming unit reaches a first temperature.
Control methods.
前記カーボン除去ステップは、空気供給部から、加熱することなく前記空気を前記改質部に供給するステップを含んでいる、
制御方法。 3. The control method according to claim 1 or 2,
The carbon removal step includes a step of supplying the air from an air supply unit to the reforming unit without heating the air.
Control methods.
前記カーボン除去ステップは、前記改質部に対して間欠的に前記空気を供給するステップを含んでいる、
制御方法。 3. The control method according to claim 1 or 2,
The carbon removal step includes a step of intermittently supplying the air to the reforming unit.
Control methods.
前記カーボン除去ステップは、前記改質部に対して、流量が段階的に大きくなるように前記空気を供給するステップを含んでいる、
制御方法。 The control method according to claim 1 or 2,
The carbon removal step includes a step of supplying the air to the reforming unit so that the flow rate increases stepwise.
Control methods.
前記改質部は、前記燃料電池スタック内に配置されている、
制御方法。 3. The control method according to claim 1 or 2,
The reformer is disposed in the fuel cell stack.
Control methods.
前記改質ガスをアノードガスとして発電するように構成された燃料電池スタックと、
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、通常運転ステップと、カーボン除去ステップとを実行するように構成されており、
前記通常運転ステップにおいて、前記制御装置は、前記燃料ガスを前記改質部に対して供給しつつ、前記燃料電池スタックを発電させ、
前記カーボン除去ステップにおいて、前記制御装置は、前記改質部に空気を供給し、
前記カーボン除去ステップにおいて前記改質部に供給される空気の流量は、前記通常運転ステップにおいて前記改質部に供給される前記炭化水素の流量よりも、大きい、
燃料電池システム。 a reforming unit that reforms a fuel gas containing a hydrocarbon to generate a reformed gas, the reforming unit having a reforming catalyst;
a fuel cell stack configured to generate electricity using the reformed gas as an anode gas;
A control device;
Equipped with
The control device is configured to perform a normal operation step and a carbon removal step;
In the normal operation step, the control device controls the fuel cell stack to generate power while supplying the fuel gas to the reforming unit,
In the carbon removal step, the control device supplies air to the reforming section,
The flow rate of the air supplied to the reforming unit in the carbon removal step is greater than the flow rate of the hydrocarbons supplied to the reforming unit in the normal operation step.
Fuel cell system.
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