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JP2008201650A - Hydrogen generating apparatus, fuel cell system and method for operating hydrogen generating apparatus - Google Patents

Hydrogen generating apparatus, fuel cell system and method for operating hydrogen generating apparatus Download PDF

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JP2008201650A
JP2008201650A JP2007042852A JP2007042852A JP2008201650A JP 2008201650 A JP2008201650 A JP 2008201650A JP 2007042852 A JP2007042852 A JP 2007042852A JP 2007042852 A JP2007042852 A JP 2007042852A JP 2008201650 A JP2008201650 A JP 2008201650A
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Japan
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oxidizing gas
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hydrogen
remover
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JP2007042852A
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Japanese (ja)
Inventor
Hidenobu Wakita
英延 脇田
Yukimune Kani
幸宗 可児
Seiji Fujiwara
誠二 藤原
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that when air enters into a CO remover in a hydrogen generating apparatus during long-term stopping and a catalyst is oxidized, the oxidized catalyst reaches a high temperature in the next start and causes sintering. <P>SOLUTION: A hydrogen generating apparatus is provided comprising: a reformer 1 for generating a hydrogen-containing gas by a reforming reaction of raw material; a CO remover 3 for reducing the CO content of the hydrogen-containing gas sent from the reformer 1 by an oxidation reaction; an air feeder 3 which feeds an oxidizing gas to the CO remover 3; a third temperature sensor 9 which senses the temperature of the CO remover 3; and a control unit 15, wherein the control unit 15 makes beginning of feed of air from the air feeder 3 in start later than that in usual start when the temperature sensed by the third temperature sensor 9 is higher than the temperature in usual start. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素生成装置及び水素生成装置によって生成された水素を用いて発電を行う燃料電池システム及びその運転方法に関する。   The present invention relates to a hydrogen generator, a fuel cell system that generates power using hydrogen generated by the hydrogen generator, and an operation method thereof.

固体高分子型燃料電池(PEFC)は、酸素と水素を用いて発電を行う。この水素の工業的製造法としては水の電気分解などがあり、その他には炭化水素ガスの水蒸気改質法、部分酸化法、両者を組み合わせたオートサーマル法などがある。これらの改質法では、メタン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス、LPガス、その他の炭化水素ガス(二種類以上の炭化水素の混合ガスを含む)を改質して水素リッチな水素含有ガスを生成させるが、いずれの場合にも改質器が用いられる。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) generates power using oxygen and hydrogen. The industrial production method of hydrogen includes electrolysis of water, and other methods include a steam reforming method of hydrocarbon gas, a partial oxidation method, and an autothermal method combining the both. These reforming methods reform methane, ethane, propane, butane, city gas, LP gas, and other hydrocarbon gases (including mixed gases of two or more hydrocarbons) to produce hydrogen-rich hydrogen-containing gases. In either case, a reformer is used.

PEFCに供給する燃料水素中の一酸化炭素(CO)含有量は50ppm(容量、以下同じ)程度が限度であり、これを越えると電池性能が著しく劣化する。そのため、COはPEFCへ導入する前にできる限り除去する必要があり、好ましくは10ppm以下にすることが望ましい。   The carbon monoxide (CO) content in the fuel hydrogen supplied to the PEFC is limited to about 50 ppm (capacity, hereinafter the same), and if it exceeds this, the battery performance is significantly deteriorated. Therefore, it is necessary to remove CO as much as possible before introducing it into PEFC, and it is desirable that CO be 10 ppm or less.

水蒸気改質において生成された水素含有ガス中には未反応のメタン、未反応の水蒸気、炭酸ガスのほか、通常8〜15%(容量、以下同じ)程度の副生されたCOが含まれる。このため水素含有ガスは、副生COを除去するために変成器へ導入される。変成器では変成反応(式1)によりCOが炭酸ガスと水素に変えられる。   The hydrogen-containing gas produced in the steam reforming contains unreacted methane, unreacted steam and carbon dioxide, and usually by-produced CO of about 8 to 15% (volume, the same applies hereinafter). For this reason, the hydrogen-containing gas is introduced into the transformer to remove by-product CO. In the transformer, CO is converted into carbon dioxide gas and hydrogen by the transformation reaction (Equation 1).

(式1)CO+HO→CO+H
変成器から送出される水素含有ガスにおいても、COは完全には除去されておらず、微量のCOが含まれている。このため、空気等の酸化剤ガスを添加し、CO除去器において、CO酸化反応(式2)により、COを50ppm以下、好ましくは10ppm以下に低減する。
(Formula 1) CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Even in the hydrogen-containing gas delivered from the transformer, CO is not completely removed, and a trace amount of CO is contained. For this reason, an oxidant gas such as air is added, and CO is reduced to 50 ppm or less, preferably 10 ppm or less by the CO oxidation reaction (formula 2) in the CO remover.

(式2)CO+1/2O→CO
こうして精製された水素リッチな水素含有ガスがPEFCのアノードに供給される。一般に、CO濃度を幅広い温度範囲で低濃度(10ppm以下)まで除去できる酸化触媒としては、Ru/Al触媒が優れており、広く用いられている(例えば、非特許文献1参照。)。
(Formula 2) CO + 1 / 2O 2 → CO 2
The purified hydrogen-rich hydrogen-containing gas is supplied to the PEFC anode. In general, a Ru / Al 2 O 3 catalyst is excellent and widely used as an oxidation catalyst capable of removing CO concentration to a low concentration (10 ppm or less) in a wide temperature range (see, for example, Non-Patent Document 1). .

また、上記水素生成装置の運転停止時には、通常、内部の水素を含む残留ガスを原料ガスでパージし、水素生成装置内の空間を原料ガスで満たした後、外気との連通を遮断する方法が提案されている(例えば、特許文献1、2参照。)。
S. H. Oh, R. M. Sinkevitch, J. Catal, 142 (1993) 254. 特開2003−288930号公報 特開2004−307236号公報
Further, when the hydrogen generator is shut down, there is usually a method of purging a residual gas containing hydrogen inside with a raw material gas, filling a space in the hydrogen generator with the raw material gas, and then shutting off communication with outside air. It has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
SH Oh, RM Sinkevitch, J. Catal, 142 (1993) 254. JP 2003-288930 A JP 2004-307236 A

しかし、上記特許文献に記載のように水素生成装置に遮断弁を設け、原料ガスで内部を満たした後、外気と遮断したとしてもシールが不十分である場合には、空気が混入する可能性がある。   However, if the hydrogen generator is provided with a shut-off valve as described in the above-mentioned patent document and the inside is filled with the raw material gas, the air may be mixed if the seal is insufficient even if shut off from the outside air There is.

また、長期間にわたり水素生成装置が使用されないときは、外部環境(気圧、温度)の変化により装置内部の圧力が大気圧に対して負圧になり空気が混入したり、シールの経時劣化により空気が混入したりする可能性がある。   Also, when the hydrogen generator is not used for a long period of time, the pressure inside the device becomes negative with respect to atmospheric pressure due to changes in the external environment (atmospheric pressure, temperature) and air is mixed in, or the seal deteriorates over time. May be mixed in.

そして、上述のように水素生成装置内部に空気が混入するとCO除去器の酸化触媒(例えば、Ru/Al酸化触媒)が酸化劣化するため、次回起動時に通常通りに起動動作を実施すると、改質器より供給される水素含有ガスにより還元反応が進行し、この還元反応熱により酸化触媒温度が高温化し、シンタリング等の問題を起こす可能性がある。特に、上記酸化触媒が、Ru/Al触媒の場合、触媒温度が200〜250℃を越えると、COおよびCOのHによるメタン化が進行し、触媒温度が急激に上昇する。 As described above, if air is mixed into the hydrogen generator, the oxidation catalyst (for example, Ru / Al 2 O 3 oxidation catalyst) of the CO remover is oxidized and deteriorated. The reduction reaction proceeds by the hydrogen-containing gas supplied from the reformer, and the oxidation catalyst temperature is increased by the heat of the reduction reaction, which may cause problems such as sintering. In particular, when the oxidation catalyst is a Ru / Al 2 O 3 catalyst, when the catalyst temperature exceeds 200 to 250 ° C., methanation of CO and CO 2 with H 2 proceeds, and the catalyst temperature rapidly increases.

このように、装置内部を非酸化性のガスで置換し、密閉した状態で問題なく停止し、停止期間中においても装置として明らかな異常が検知されてない場合であっても、種々の理由によりCO除去器の酸化触媒が酸化劣化する場合があり、この場合に通常通り起動動作を行うと上述のように高温化によるシンタリングを引き起こす可能性がある。   Thus, even if the inside of the apparatus is replaced with a non-oxidizing gas and stopped without problems in a sealed state, and no obvious abnormality is detected as an apparatus even during the stop period, for various reasons The oxidation catalyst of the CO remover may be oxidized and deteriorated. In this case, if the startup operation is performed as usual, there is a possibility of causing sintering due to high temperature as described above.

本発明は、上記従来の水素生成装置の課題を考慮し、酸化触媒が酸化劣化しているにも拘わらず、起動動作が開始されるまでの間に装置として酸化触媒の酸化劣化に関連する異常が検知されていない場合であっても、安定して起動することが可能な水素生成装置、燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。   In consideration of the problems of the conventional hydrogen generator, the present invention provides an abnormality related to the oxidative degradation of the oxidation catalyst as a device before the start-up operation is started even though the oxidation catalyst is oxidatively degraded. It is an object of the present invention to provide a hydrogen generator, a fuel cell system, and an operation method thereof that can be stably started even when no is detected.

上記目的を達成するために、第1の本発明の水素生成装置は、
原料の改質反応により水素含有ガスを生成するための改質器と、前記改質器から送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減するためのCO除去器と、前記CO除去器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、前記CO除去器の温度を検出する温度検出器と、制御器とを備え、前記制御器は、起動時に、前記温度検出器の検出温度が通常起動時の温度よりも高い場合、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給開始を通常起動時よりも遅らせることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the hydrogen generator of the first aspect of the present invention comprises:
A reformer for generating a hydrogen-containing gas by a reforming reaction of the raw material; a CO remover for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas delivered from the reformer by an oxidation reaction; and the CO An oxidant gas supply unit that supplies an oxidant gas to the remover, a temperature detector that detects a temperature of the CO remover, and a controller, wherein the controller detects a temperature detected by the temperature detector at the time of startup. When the temperature is higher than the normal startup temperature, the start of the supply of the oxidizing gas from the oxidizing gas supply device is delayed from the normal startup time.

又、第2の本発明の水素生成装置は、
前記制御器が、起動時に、前記温度検出器の検出温度が第1の閾値以上になる時間が通常よりも早い場合、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給開始を、通常起動時よりも遅らせることを特徴とする。
The second hydrogen generator of the present invention is
When the controller is activated at a time when the temperature detected by the temperature detector is equal to or higher than the first threshold is earlier than normal, the controller starts the supply of the oxidizing gas from the oxidizing gas supplier more than at the normal activation. It is characterized by delaying.

又、第3の本発明の水素生成装置は、
前記制御器が、起動時に、前記温度検出器の検出温度が特定のタイミングで第2の閾値以上になった場合、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給開始を、通常起動時よりも遅らせることを特徴とする。
Moreover, the hydrogen generator of the third aspect of the present invention is:
When the controller detects that the temperature detected by the temperature detector becomes equal to or higher than the second threshold value at a specific timing, the controller starts delaying the supply of the oxidizing gas from the oxidizing gas supplier compared to the normal startup. It is characterized by that.

又、第4の本発明の水素生成装置は、
前記制御器は、前記温度検出器の検出温度が、低下して第3の閾値以下になると前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給を開始することを特徴とする。
The hydrogen generator of the fourth aspect of the present invention is
The controller may start supplying the oxidizing gas from the oxidizing gas supply device when the temperature detected by the temperature detector decreases and becomes a third threshold value or less.

又、第5の本発明の水素生成装置は、
前記制御器は、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給を開始した後、前記温度検出器で検出される温度が、前記第3の閾値よりも大きい第4の閾値以上になると前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給を停止することを特徴とする。
Moreover, the hydrogen generator of the fifth aspect of the present invention is:
The controller starts supplying the oxidizing gas from the oxidizing gas supplier, and then the oxidizing gas is detected when a temperature detected by the temperature detector becomes equal to or higher than a fourth threshold value that is larger than the third threshold value. The supply of the oxidizing gas from the supply device is stopped.

又、第6の本発明の水素生成装置は、
前記制御器は、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給を停止した後、前記温度検出器で検出される温度が、前記第4の閾値より小さい第5の閾値以下になると前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給を再開することを特徴とする。
The sixth aspect of the hydrogen generator of the present invention is:
The controller stops supplying the oxidizing gas from the oxidizing gas supplier, and then supplies the oxidizing gas when the temperature detected by the temperature detector becomes equal to or lower than a fifth threshold value that is smaller than the fourth threshold value. The supply of the oxidizing gas from the vessel is restarted.

又、第7の本発明の燃料電池システムは、
上記本発明の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
The fuel cell system of the seventh aspect of the present invention is
The hydrogen generator of the present invention and a fuel cell that generates power using the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator.

又、第8の本発明の水素生成装置の運転方法は、原料の改質反応により水素含有ガスを生成するための改質器と、前記改質器から送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減するためのCO除去器と、前記CO除去器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、前記CO除去器の温度を検出する温度検出器とを備えた水素生成装置の運転方法であって、起動時に、前記温度検出器の検出温度が通常起動時の温度よりも高い場合、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給開始を通常起動時よりも遅らせるように制御を行うことを特徴とする。   In addition, the operation method of the hydrogen generator according to the eighth aspect of the present invention includes a reformer for generating a hydrogen-containing gas by a raw material reforming reaction, and monoxide in the hydrogen-containing gas sent from the reformer. A hydrogen generator comprising: a CO remover for reducing carbon by an oxidation reaction; an oxidizing gas supplier for supplying an oxidizing gas to the CO remover; and a temperature detector for detecting the temperature of the CO remover. In the operation method, at the time of start-up, if the temperature detected by the temperature detector is higher than the temperature at the time of normal start-up, control is performed so that the start of supply of the oxidizing gas from the oxidizing gas supply device is delayed from that at the time of normal start-up. It is characterized by performing.

本発明によれば、CO除去器の酸化触媒が酸化劣化しているにも拘わらず、起動動作が開始されるまでの間に装置として酸化触媒の酸化劣化に関連する異常が検知されていない場合であっても、安定して起動することが可能な水素生成装置、燃料電池システム及びその運転方法を提供することが出来る。   According to the present invention, even though the oxidation catalyst of the CO remover is oxidized and deteriorated, no abnormality related to the oxidation deterioration of the oxidation catalyst is detected as a device until the start-up operation is started. Even so, it is possible to provide a hydrogen generator, a fuel cell system, and an operation method thereof that can be stably started.

以下、本発明にかかる実施の形態の燃料電池システムについて説明するとともに、本発明の水素生成装置の一例についても同時に述べる。   Hereinafter, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described, and an example of a hydrogen generator of the present invention will be described at the same time.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの概略構成図である。図1に示す様に、本実施の形態1における燃料電池システムは、水素リッチな水素含有ガスを生成する水素生成装置11を備えている。この水素生成装置11は、炭化水素を含む原料ガスと水からCOを含有する水素リッチな水素含有ガスを生成する改質触媒を充填した改質器1を備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to Embodiment 1 includes a hydrogen generator 11 that generates a hydrogen-rich hydrogen-containing gas. The hydrogen generator 11 includes a reformer 1 filled with a reforming catalyst that generates a hydrogen-rich hydrogen-containing gas containing CO from a raw material gas containing hydrocarbons and water.

又、水素生成装置11は、ガスの流通方向を基準として、改質器1の下流側にペレット状のPt/CeZrOx触媒が充填された変成器2を備えている。この変成器2では、改質器1で副生されるCOの低減を行う。また、起動時に変成触媒を加熱するための第1の加熱ユニット4と、変成器2の温度を検出する第1温度検出器16が設けられている。なお、本実施の形態では、第1の加熱ユニット4としてシースヒーターが用いられている。   Further, the hydrogen generator 11 includes a transformer 2 in which a pellet-like Pt / CeZrOx catalyst is filled on the downstream side of the reformer 1 with reference to the gas flow direction. In this transformer 2, CO generated as a by-product in the reformer 1 is reduced. Further, a first heating unit 4 for heating the shift catalyst at the time of start-up and a first temperature detector 16 for detecting the temperature of the shift converter 2 are provided. In the present embodiment, a sheath heater is used as the first heating unit 4.

更に、水素生成装置11は、変成器2の下流側に酸化触媒としてRu/アルミナ触媒を充填したCO除去器3を備えている。このCO除去器3では変成器2にて除去しきれなかったCOが更に低減される。また、CO除去器3上流において、CO除去器3に供給されるガスを加熱するため第2の加熱ユニット8が設けられている。なお、本実施の形態では、第2の加熱ユニット8としてシースヒーターが用いられている。又、CO除去器3の上流側のガス温を測定するため、第2の加熱ユニット8の下流に第2温度検出器6が設けられている。また、CO除去器3の酸化触媒に接して、触媒温度を検知する第3温度検出器9が設けられている。   Further, the hydrogen generator 11 includes a CO remover 3 filled with a Ru / alumina catalyst as an oxidation catalyst on the downstream side of the transformer 2. In the CO remover 3, CO that cannot be removed by the transformer 2 is further reduced. Further, a second heating unit 8 is provided upstream of the CO remover 3 to heat the gas supplied to the CO remover 3. In the present embodiment, a sheath heater is used as the second heating unit 8. In addition, a second temperature detector 6 is provided downstream of the second heating unit 8 in order to measure the gas temperature upstream of the CO remover 3. A third temperature detector 9 that detects the catalyst temperature is provided in contact with the oxidation catalyst of the CO remover 3.

さらに、CO除去器3の周囲を空冷ファンにより冷却する冷却ユニット(図示せず)が設けられている。尚、変成器2とCO除去器3の間のガス流路に、CO除去器3へ酸化ガスとしての空気を供給するための本発明の酸化ガス供給器としての空気供給器5が接続されている。この空気供給器5としては空気供給ブロア等が挙げられる。   Further, a cooling unit (not shown) for cooling the periphery of the CO remover 3 with an air cooling fan is provided. Note that an air supply device 5 as an oxidizing gas supply device of the present invention for supplying air as an oxidizing gas to the CO removing device 3 is connected to a gas flow path between the transformer 2 and the CO removing device 3. Yes. Examples of the air supplier 5 include an air supply blower.

又、CO除去器3の下流側にはCOが十分に低減された水素含有ガスをアノードガスとして発電を行う、燃料電池の一例である固体高分子型燃料電池7(PEFC)が設置されている。この固体高分子型燃料電池7のアノード触媒としては、例えばPt−Ru/Cが挙げられる。固体高分子型燃料電池7のアノードで消費されずに残る水素を含むガスは、除湿された後アノードオフガスとしてアノードオフガス経路10を通じて改質器1のバーナー12に供給されて燃焼し、改質器1の加熱に用いられる。   A polymer electrolyte fuel cell 7 (PEFC), which is an example of a fuel cell, is installed on the downstream side of the CO remover 3 to generate electricity using a hydrogen-containing gas with sufficiently reduced CO as an anode gas. . Examples of the anode catalyst of the polymer electrolyte fuel cell 7 include Pt—Ru / C. The gas containing hydrogen remaining without being consumed at the anode of the polymer electrolyte fuel cell 7 is dehumidified and then supplied as an anode off-gas to the burner 12 of the reformer 1 through the anode off-gas passage 10 for combustion. 1 is used for heating.

また、CO除去器3と固体高分子型燃料電池7の間に切替バルブ14が設けられており、CO除去器3から流出したガスが、バーナー12側へ供給されるバイパス経路13、又はPEFC側に流入するように切り替えられる構成となっている。なお、アノードオフガス経路10には、凝縮器(図示せず)が設けられ、水蒸気が凝縮され、安定してバーナー12で燃焼が行えるような構成とされている。   Further, a switching valve 14 is provided between the CO remover 3 and the polymer electrolyte fuel cell 7 so that the gas flowing out from the CO remover 3 is supplied to the burner 12 side or the PEFC side. It is the structure switched so that it may flow in. The anode off-gas passage 10 is provided with a condenser (not shown) so that water vapor is condensed and combustion can be stably performed by the burner 12.

また、第2温度検出器6、第3温度検出器9、及び第1温度検出器16に基づいて、バーナー12、第1の加熱ユニット4、空気供給器5、第2の加熱ユニット8、及び切替バルブ14を制御する制御ユニット15が設けられている。   Further, based on the second temperature detector 6, the third temperature detector 9, and the first temperature detector 16, the burner 12, the first heating unit 4, the air supply unit 5, the second heating unit 8, and A control unit 15 for controlling the switching valve 14 is provided.

尚、本発明の改質器の一例は、本実施の形態の改質器1に相当し、本発明のCO除去器の一例は、本実施の形態のCO除去器3に相当する。又、本発明の酸化ガス供給器の一例は、本実施の形態の空気供給器5に相当し、本発明の温度検出器の一例は、本実施の形態の第3温度検出器9に相当する。又、本発明の制御器の一例は、本実施の形態の制御ユニット15に相当する。   An example of the reformer of the present invention corresponds to the reformer 1 of the present embodiment, and an example of the CO remover of the present invention corresponds to the CO remover 3 of the present embodiment. An example of the oxidizing gas supply device of the present invention corresponds to the air supply device 5 of the present embodiment, and an example of the temperature detector of the present invention corresponds to the third temperature detector 9 of the present embodiment. . An example of the controller of the present invention corresponds to the control unit 15 of the present embodiment.

次に、本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明するとともに、本発明の水素生成装置の運転方法の一例についても述べる。   Next, the operation of the fuel cell system of the present embodiment will be described, and an example of the operation method of the hydrogen generator of the present invention will also be described.

図2は、本実施の形態の燃料電池システムにおける起動時の第3温度検出器9によって検出された触媒温度のグラフを示す図である。又、図3は、本実施の形態の燃料電池システムの起動動作フロー図である。尚、本実施の形態の燃料電池システムの停止時には、都市ガス13Aがパージされ、水素生成装置内に都市ガス13Aが密封されてから、動作が停止されるように制御が行われている。   FIG. 2 is a graph showing a catalyst temperature detected by the third temperature detector 9 at the time of start-up in the fuel cell system of the present embodiment. FIG. 3 is a flow chart showing the starting operation of the fuel cell system according to the present embodiment. When the fuel cell system according to the present embodiment is stopped, the city gas 13A is purged, and the city gas 13A is sealed in the hydrogen generator, and then the operation is stopped.

始めに、燃料電池システムの通常の起動動作について説明する。   First, a normal startup operation of the fuel cell system will be described.

この通常の起動動作とは、起動動作が開始されるまでの間に酸化触媒の酸化劣化が進行していない場合の燃料電池システムの起動動作のことである。図2では、この通常の起動動作における触媒温度が実線で示されている。   This normal start-up operation is a start-up operation of the fuel cell system in the case where the oxidation deterioration of the oxidation catalyst has not progressed until the start-up operation is started. In FIG. 2, the catalyst temperature in this normal start-up operation is indicated by a solid line.

起動時(S0)に、まず都市ガス13Aで水素生成装置11内のパージを行いながら、切替バルブ14をバイパス経路13側に切替え、改質器1がバーナー12によって加熱される。同時に、変成器2、CO除去器3が第1の加熱ユニット4、第2の加熱ユニット8によってそれぞれ加熱される(S1)。   At start-up (S0), first, while purging the hydrogen generator 11 with the city gas 13A, the switching valve 14 is switched to the bypass path 13 side, and the reformer 1 is heated by the burner 12. At the same time, the transformer 2 and the CO remover 3 are heated by the first heating unit 4 and the second heating unit 8, respectively (S1).

次に、制御ユニット15は、閾値Tになる時間が、予め記憶されている時間tよりも早いか遅いかの判定を行う(S2)。この閾値Tは、酸化反応に適した温度であり、例えば、100℃であり、tは40分と設定することが出来る。この時間tは、酸化触媒の酸化劣化が進行していない場合での起動時において、触媒温度が閾値Tになる時間よりも早い時間であり、閾値Tに達する起動動作開始後の時間がtよりも早い場合には、酸化触媒が酸化されている可能性が高い値である。 Next, the control unit 15, the time becomes the threshold T 1 is performed early or late or determination than the time t a which is stored in advance (S2). The thresholds T 1 is a temperature suitable for oxidation reaction, for example, a 100 ° C., t a can be set to 40 minutes. The time t a, at the time of startup in the case where oxidation of the oxidation catalyst is not in progress, a time earlier than the time the catalyst temperature becomes thresholds T 1, activation operation after the start of the time to reach thresholds T 1 There is earlier than t a is the high possibility that the oxidation catalyst is oxidized values.

そのため、通常の起動時では、図2に示すように、第3温度検出器9によって検出される触媒温度が予め決めた閾値Tになる時間tは、時間tよりも遅いため、次のステップ3に進む。 Therefore, in the normal startup, as shown in FIG. 2, the time t 1 in which the catalyst temperature becomes thresholds T 1 which predetermined detected by the third temperature detector 9, slower than the time t a, the following Proceed to step 3.

次に、改質器1が所定温度になった時点(t)で、制御ユニット15は空気供給器5を動作させ、CO除去器3に空気を供給する(S3)。尚、改質器1が所定温度に到達する時間tは、固定時間とし、例えば、起動開始から50分と設定することが出来る。又、時間tは、時間tよりも一般的に遅くなる。又、所定温度とは、550℃である。尚、本発明の通常起動時の酸化ガスの供給開始の一例は、本実施の形態の時間tに相当する。 Next, when the reformer 1 reaches a predetermined temperature (t 3 ), the control unit 15 operates the air supplier 5 to supply air to the CO remover 3 (S3). The time t 3 when the reformer 1 reaches a predetermined temperature, a fixed time, for example, can be set to 50 minutes from the start of activation. In addition, time t 3 is made generally slower than the time t a. The predetermined temperature is 550 ° C. Incidentally, an example of the supply start of the normal startup of the oxidizing gas of the present invention corresponds to the time t 3 of the present embodiment.

そして、空気供給後、CO濃度が十分低減された後、固体高分子型燃料電池7側にCO除去器3出口ガスが切り換えられ(S4)、発電が開始される。   After the air supply, the CO concentration is sufficiently reduced, and then the CO remover 3 outlet gas is switched to the polymer electrolyte fuel cell 7 side (S4), and power generation is started.

尚、変成器2の第1温度検出器16、及びCO除去器3の第2温度検出器6によって検出される温度はモニターされており、第1温度検出器16または第2温度検出器6の検出温度が所定温度(例えば、175℃)以上になったら、両方のヒータが切られるように設定されている。   The temperatures detected by the first temperature detector 16 of the transformer 2 and the second temperature detector 6 of the CO remover 3 are monitored, and the first temperature detector 16 or the second temperature detector 6 is monitored. When the detected temperature reaches a predetermined temperature (for example, 175 ° C.) or higher, both heaters are set to be turned off.

次に、起動動作が開始されるまでに酸化触媒が酸化劣化したにも拘わらず、装置としてこの酸化劣化を引き起こす明らかな異常が検知されなかった場合の燃料電池システムの起動動作について説明する。   Next, the start-up operation of the fuel cell system will be described in the case where no obvious abnormality that causes the oxidative deterioration is detected as a device even though the oxidation catalyst has been oxidized and deteriorated before the start-up operation is started.

本実施の形態においては、長期間停止中に周囲環境の変動に伴い、装置内部に空気が侵入し、酸化触媒が酸化劣化した場合を想定している。   In the present embodiment, it is assumed that air enters the apparatus and the oxidation catalyst is deteriorated by oxidation due to changes in the surrounding environment during a long-term stoppage.

図2には、長期停止期間中に酸化触媒が酸化劣化した後の起動動作における触媒温度の経時変化が一点鎖線で示されている。   In FIG. 2, a change with time of the catalyst temperature in the start-up operation after the oxidation catalyst is oxidized and deteriorated during the long-term stop period is indicated by a one-dot chain line.

ステップ1(S1)までの燃料電池システムの動作は、通常の起動動作と同様である。ステップ2(S2)において、触媒温度がTになる時間はtであり、時間tは時間tよりも早いため、通常の起動動作と異なり、ステップ5に進む。ここで、酸化触媒が酸化劣化している場合は、水素含有ガスが導入されると、酸化ルテニウムの還元反応により、酸化触媒が酸化劣化していない場合の起動時よりも触媒が高温になる。そのため、触媒温度がTになる時間がtよりも早い場合には、酸化触媒が酸化されている可能性が高いことが判定出来る。本発明の第1の閾値の一例は、本実施の形態の温度Tに相当する。 The operation of the fuel cell system up to step 1 (S1) is the same as the normal startup operation. In Step 2 (S2), the time in which the catalyst temperature is T 1 is t 2, since earlier than the time t 2 is the time t a, unlike the normal startup operation, the process proceeds to step 5. Here, when the oxidation catalyst is oxidatively deteriorated, when the hydrogen-containing gas is introduced, the catalyst is heated to a higher temperature than the start-up when the oxidation catalyst is not oxidatively deteriorated due to the reduction reaction of ruthenium oxide. Therefore, if the time the catalyst temperature becomes T 1 is earlier than t a can determine that there is a high possibility that the oxidation catalyst is oxidized. An example of a first threshold value of the present invention corresponds to the temperature T 1 of the present embodiment.

ステップ5(S5)において、起動開始からの時間がtに達した時点で、制御ユニット15は空気供給器5を動作させ、CO除去器3に空気を供給する。この時間tとしては、例えば、2〜3時間に設定することが出来、改質器1及び変成器2の温度が所定温度に到達する時間tよりも遅い時間に設定される。 In step 5 (S5), when the time from the start-up reaches t 4, the control unit 15 operates the air supply unit 5, supplies air to the CO remover 3. As the time t 4, for example, can be set to 2 to 3 hours, the temperature of the reformer 1 and the transformer 2 is set to a later time than the time t 3 when reaching a predetermined temperature.

次に、ステップ4(S4)において、空気供給後、CO濃度が十分低減された後、固体高分子型燃料電池7側にCO除去器3出口ガスが切り換えられ、発電が開始される。   Next, in step 4 (S4), after the supply of air and the CO concentration is sufficiently reduced, the CO remover 3 outlet gas is switched to the polymer electrolyte fuel cell 7 side, and power generation is started.

上述のように、時間tよりも早いタイミングで温度閾値Tに達した場合には、酸化触媒が酸化されている可能性が高いので、通常の起動における空気供給タイミングと同様にt時間後に空気を導入すると、水素含有ガスの酸化反応熱により、触媒温度の高温化及びそれに伴うメタン化による熱暴走が生じて、酸化触媒のシンタリングを引き起こしたり触媒温度の制御が不能に陥る場合がある。 As described above, when reaching a temperature thresholds T 1 is a timing earlier than the time t a, there is a high possibility that the oxidation catalyst is oxidized, as with the air supply timing in a normal start t 3 hours If air is introduced later, the oxidation reaction heat of the hydrogen-containing gas may cause the catalyst temperature to rise and the resulting thermal runaway due to methanation, which may cause oxidation catalyst sintering or control the catalyst temperature. is there.

しかしながら、本実施の形態のように、空気導入を通常の起動における空気供給開始のタイミングよりも(t―t)時間遅らせ、水素含有ガスによる酸化劣化した酸化触媒の還元反応が終わるのを待って空気を導入することによって、酸化触媒が酸化されていた場合であっても、安定して起動することが可能となる。 However, as in the present embodiment, the introduction of air is delayed by (t 4 -t 3 ) time from the timing of starting air supply in normal startup, and the reduction reaction of the oxidation catalyst that has been oxidized and deteriorated by the hydrogen-containing gas is completed. By introducing air after waiting, even if the oxidation catalyst is oxidized, it is possible to start stably.

尚、本実施の形態では、Tを酸化反応に適した温度としたが、この値に限られず、図2に示すように空気導入(t)時までに、通常の起動動作(実線)における触媒温度と、酸化触媒が酸化劣化後の起動動作(一点鎖線)における触媒温度が到達する時間に差が生じ易い温度(例えば、図2に示すT´)であればよい。 In the present embodiment, T 1 is set to a temperature suitable for the oxidation reaction. However, the temperature is not limited to this value, and normal startup operation (solid line) is not limited to this value until air introduction (t 3 ) as shown in FIG. And the temperature at which the oxidation catalyst reaches the catalyst temperature in the start-up operation (dashed line) after the oxidation deterioration (for example, T 1 ′ shown in FIG. 2).

又、本実施の形態では、ステップ2(S2)において、酸化触媒の触媒温度がT以上になる時間がt以上であるか否かについて判断されているが、例えば、時間tにおける触媒温度がT以上であるか否かについて判断しても良い。この場合、時間tにおける触媒温度がT以上の場合には、図3に示すステップ(S5)の制御が行われ、T未満の場合にはステップ3(S3)の制御が行われる。この場合、本発明の特定のタイミングの一例が、時間tとなる。 Further, in this embodiment, in step 2 (S2), but the time the catalyst temperature of the oxidation catalyst becomes above T 1 is determined whether at least t a, for example, the catalyst in the time t a temperature may be determined whether it is above T 1. In this case, when the catalyst temperature is above T 1 of at time t a, control is performed in step (S5) shown in FIG. 3, in the case of less than T 1 is controlled in Step 3 (S3) is performed. In this case, an example of the specific timing of the present invention, is the time t a.

尚、本実施の形態では、tの時間は固定時間としていたが、改質器1の温度を検出するセンサーを設けて、改質器1の温度をモニターし、検出温度が所定温度に到達した時間をtとしてもよい。この場合のフロー図を図4に示す。 In the present embodiment, the time t 3 is a fixed time. However, a sensor for detecting the temperature of the reformer 1 is provided to monitor the temperature of the reformer 1, and the detected temperature reaches a predetermined temperature. the amount of time may be as t 3. A flow chart in this case is shown in FIG.

図4に示すように、ステップ2において触媒温度がTになる時間がt以上である場合には、ステップ11において改質器1の温度が所定温度以上になった場合、ステップ12に進み、空気供給が行われる。一方、ステップ2において触媒温度がTになる時間がt未満である場合、ステップ13において改質器1が所定温度以上になるとともに、ステップ14において更に所定時間待機した経過時間tに空気供給が行われる。この待機している所定時間の間に、水素含有ガスによって酸化劣化した酸化触媒の還元反応に伴う高温化が終了するため、その後、酸化触媒に空気供給しても酸化触媒がメタン化反応による熱暴走をすることなく安定した起動動作を行うことが可能となる。 As shown in FIG. 4, if the time the catalyst temperature becomes T 1 is not less than t a in step 2, if the temperature of the reformer 1 is equal to or higher than a predetermined temperature at step 11, the process proceeds to step 12 Air supply is performed. On the other hand, if the time the catalyst temperature is T 1 in step 2 is less than t a, the air along with the reformer 1 becomes equal to or higher than the predetermined temperature at step 13, the elapsed time t 4 when waiting further predetermined time in step 14 Supply is made. During this waiting time, the temperature increase associated with the reduction reaction of the oxidation catalyst that has been oxidized and degraded by the hydrogen-containing gas is completed. A stable start-up operation can be performed without running away.

(実施の形態2)
以下に、本発明にかかる実施の形態2の燃料電池システムについて説明する。
(Embodiment 2)
The fuel cell system according to the second embodiment of the present invention will be described below.

本実施の形態2の燃料電池システムは、実施の形態1と基本的な構成は同じであるが、制御フローが異なっている。そのため、本相違点を中心に説明する。尚、実施の形態1と同一のステップ及び構成については同一の符号が用いられている。   The basic configuration of the fuel cell system of Embodiment 2 is the same as that of Embodiment 1, but the control flow is different. Therefore, this difference will be mainly described. In addition, the same code | symbol is used about the step and structure same as Embodiment 1. FIG.

図5は、本実施の形態2の燃料電池システムの酸化触媒の温度挙動のグラフを示す図である。図5には、通常の起動動作における触媒温度の挙動のグラフが実線で示されており、長期間停止中に酸化触媒が劣化した後の起動動作における触媒温度の挙動のグラフが一点鎖線で示されている。図6は、本実施の形態2の燃料電池システムの制御フロー図である。   FIG. 5 is a graph showing a temperature behavior of the oxidation catalyst of the fuel cell system according to the second embodiment. In FIG. 5, the graph of the catalyst temperature behavior in the normal startup operation is shown by a solid line, and the graph of the catalyst temperature behavior in the startup operation after the oxidation catalyst has deteriorated during a long-term stop is shown by a one-dot chain line. Has been. FIG. 6 is a control flowchart of the fuel cell system according to the second embodiment.

始めに、起動動作までの間に酸化触媒が酸化劣化していない場合の本実施の形態の燃料電池システムの起動動作について説明する。   First, the start-up operation of the fuel cell system of the present embodiment when the oxidation catalyst has not been oxidized and deteriorated before the start-up operation will be described.

本実施の形態2の燃料電池システムでは、ステップ1において実施の形態1と同様にCO除去器3の加熱が行われる。次に、起動開始後t時間になる前の特定のタイミングtでCO除去器3の触媒温度がT以上に達したか否かの判定が行われる。具体的には、ステップ21(S21)において起動開始後tで触媒温度がT以上であるか否か判定され、T未満である場合には、ステップ22(S22)へと進む。このTの値は、酸化触媒が酸化劣化していない通常の起動動作(起動開始から時間tまでの間)において検出される温度範囲よりも高い温度に設定されている。 In the fuel cell system of the second embodiment, the CO remover 3 is heated in step 1 as in the first embodiment. Next, the catalyst temperature of the CO remover 3 it is determined whether or not reached T 2 or more is performed at a specific timing t 5 of before the start of activation after t 3 hours. Specifically, the catalyst temperature at the beginning of starting after t 5 in step 21 (S21) it is determined whether or not T 2 or more, when it is less than T 2 are, the process proceeds to step 22 (S22). The value of this T 2 are, the oxidation catalyst is set to a temperature higher than the temperature range to be detected in the normal start-up operation that is not oxidized and deteriorated (from start-up time t 5).

従って、通常の起動動作では、起動開始後時間tで触媒温度がTよりも高くならず、ステップS22で起動時間からt経過したことが確認されると、ステップ23に進み、制御ユニット15は、空気供給器5を動作させ、CO除去器3に空気を供給する。 Therefore, in the normal start-up operation, when it is confirmed that the catalyst temperature does not become higher than T 2 at time t 5 after the start of start and t 3 has elapsed from the start-up time in step S22, the process proceeds to step 23, and the control unit 15 operates the air supply unit 5 to supply air to the CO remover 3.

次に、ステップ4(S4)において、空気供給後、CO濃度が十分低減された後、固体高分子型燃料電池7側にCO除去器3出口ガスが切り換えられ、発電が開始される。   Next, in step 4 (S4), after the supply of air and the CO concentration is sufficiently reduced, the CO remover 3 outlet gas is switched to the polymer electrolyte fuel cell 7 side, and power generation is started.

次に、長期停止期間中に酸化触媒が酸化劣化した後の本実施の形態の燃料電池システムの起動動作について説明する。   Next, the start-up operation of the fuel cell system of the present embodiment after the oxidation catalyst is oxidized and deteriorated during the long-term stop period will be described.

酸化触媒が酸化劣化している場合には、図5に示すように時間tまでの間の特定のタイミングである時間tにおいて、温度閾値T以上に達しているため、ステップ21からステップ24(S24)へと進み、起動開始からt時間経過後に、制御ユニット15は、空気供給器5を動作させてCO除去器3に空気を供給する。ここで、酸化触媒が酸化された場合に、水素含有ガスが導入されると、酸化ルテニウムの還元反応により、通常の起動時よりも触媒が高温になる。そのため、通常の起動動作において検出される温度範囲よりも高い温度Tになった場合には、酸化触媒が酸化されている可能性が高いことが判定できる。尚、本発明の通常起動時の酸化ガスの空気開始の一例は、本実施の形態の起動開始後の時間tに相当し、本発明の特定のタイミングは、起動開始後の時間tに相当し、本発明の第2の閾値の一例は、本実施の形態のTに相当する。 The oxidation catalyst if the deteriorated oxide at time t 5 is a specific timing until the time t 3 as shown in FIG. 5, has reached the temperature threshold value T 2 or more, the step from the step 21 24 proceeds to (S24), after t 4 hours from the start of activation, the control unit 15 supplies air to the CO remover 3 by operating the air supply unit 5. Here, when the hydrogen-containing gas is introduced when the oxidation catalyst is oxidized, the catalyst becomes hotter than during normal startup due to the reduction reaction of ruthenium oxide. Therefore, if it becomes higher temperature T 2 than the temperature range to be detected in the normal starting operation it can be determined that there is a high possibility that the oxidation catalyst is oxidized. Incidentally, an example of the air starting the normal startup of the oxidizing gas of the present invention corresponds to a time t 3 after the start start of this embodiment, the specific timing of the present invention, the time t 5 after the start of activation corresponds to an example of the second threshold value of the present invention corresponds to T 2 of the present embodiment.

続いて、ステップ4(S4)において、空気供給後、CO濃度が十分低減された後、制御ユニット15が固体高分子型燃料電池7側にCO除去器3出口ガスが流れるよう切替バルブを切り換え、発電が開始される。   Subsequently, in step 4 (S4), after the air supply, after the CO concentration is sufficiently reduced, the control unit 15 switches the switching valve so that the CO remover 3 outlet gas flows to the polymer electrolyte fuel cell 7 side, Power generation is started.

以上のように、本実施の形態の燃料電池システムでは、起動時において通常空気供給が開始されるよりも前の特定のタイミングtで通常の起動動作において検出される温度範囲よりも高い温度に、触媒温度が達した場合には、酸化触媒が酸化されている可能性が高いため、予め決められた空気供給タイミングである時間tから(t−t)時間遅らせる。この遅らせた間に水素含有ガスによる酸化劣化した酸化触媒の還元反応が完了すると想定されるので、その後、酸化触媒に空気を供給しても酸化触媒がメタン化反応による熱暴走をすることなく安定して起動することが可能となる。 As described above, in the fuel cell system of this embodiment, the temperature higher than the temperature range to be detected in normal starting operation at a specific timing t 5 earlier than normal air supply is started at the time of startup When the catalyst temperature has reached, there is a high possibility that the oxidation catalyst has been oxidized. Therefore, the time is delayed by (t 4 −t 3 ) from time t 3 which is a predetermined air supply timing. Since it is assumed that the reduction reaction of the oxidation catalyst that has deteriorated due to the hydrogen-containing gas will be completed during this delay, the oxidation catalyst will be stable without thermal runaway due to the methanation reaction even if air is supplied to the oxidation catalyst. Can be started.

(実施の形態3)
以下に、本発明にかかる実施の形態3の燃料電池システムについて説明する。
(Embodiment 3)
The fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention will be described below.

本実施の形態3の燃料電池システムは、実施の形態2と基本的な構成は同じであるが、触媒温度がTに達した場合の制御フローが異なっている。そのため、本相違点を中心に説明する。尚、実施の形態2と同一のステップ及び構成については同一の符号が用いられている。 The fuel cell system of the third embodiment, although the embodiment 2 the basic configuration of the embodiment is the same, the control flow when the catalyst temperature reaches T 2 are different. Therefore, this difference will be mainly described. In addition, the same code | symbol is used about the step and structure same as Embodiment 2. FIG.

図7は、本実施の形態3の燃料電池システムの酸化触媒の温度挙動のグラフを示す図である。図7には、通常の起動動作における触媒温度の挙動のグラフが実線で示されており、長期間停止中に酸化触媒が酸化劣化した後の起動動作における触媒温度の挙動のグラフが一点鎖線で示されている。図8は、本実施の形態3の燃料電池システムの制御フロー図である。   FIG. 7 is a graph showing a temperature behavior of the oxidation catalyst of the fuel cell system according to the third embodiment. In FIG. 7, the graph of the catalyst temperature behavior in the normal startup operation is shown by a solid line, and the graph of the catalyst temperature behavior in the startup operation after the oxidation catalyst is oxidatively deteriorated during a long-term stop is shown by a dashed line. It is shown. FIG. 8 is a control flow diagram of the fuel cell system according to the third embodiment.

図8に示すように、ステップ21及びステップ22において、起動開始後t時間までの間の特定のタイミングtにおいて、CO除去器3の触媒温度がT以上の値に達したと判定された場合には、ステップ31へと進む。 As shown in FIG. 8, in step 21 and step 22, it is determined that the catalyst temperature of the CO remover 3 has reached a value equal to or higher than T 2 at a specific timing t 5 until t 3 hours after starting. If YES, go to step 31.

ステップ31(S31)及びステップ32(S32)において、起動開始から時間t12(図示せず)までの間に触媒温度がT以下になったか否かの判定が行われる。触媒温度がT以下になった場合、制御ユニット15は、空気供給器5を動作させ、CO除去器3に空気を供給する。図7において触媒温度がT以下になった時間がtで示されている。このTとしては、例えば120℃と設定することが出来、t12としては例えば6時間と設定することが出来る。 In step 31 (S31) and Step 32 (S32), the catalyst temperature is determined whether it is T 3 below are performed during the period from the start-up time t 12 (not shown). When the catalyst temperature becomes equal to or lower than T 3 , the control unit 15 operates the air supply unit 5 to supply air to the CO remover 3. Time the catalyst temperature becomes T 3 below is indicated by t 6 in FIG. For example, T 3 can be set to 120 ° C., and t 12 can be set to 6 hours, for example.

一方、時間t12を(図示せず)を経過しても触媒温度がTまで下がらなければ、故障と判断して水素生成装置11が停止される(S33)。尚、本発明の第3の閾値の一例は、本実施の形態のTに相当する。 On the other hand, the catalyst temperature even after the time t 12 (not shown) to be lowered to T 3, the hydrogen generating apparatus 11 determines that the fault is stopped (S33). Incidentally, an example of a third threshold value of the present invention corresponds to T 3 of the present embodiment.

以上のように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態2と同様、温度閾値Tを設け、起動時において通常空気供給が開始されるよりも前の特定のタイミングtで触媒温度がT以上になった場合、空気導入を遅らせる。その後、本実施の形態3では、酸化劣化した酸化触媒の還元反応による発熱が終わり、触媒温度がTに下がるのを待って空気が導入される。そのため、酸化触媒の還元反応が完了したと想定されるタイミングで酸化触媒に空気が供給されるので、酸化触媒が酸化劣化した状態で起動が行なわれても酸化触媒がメタン化反応による熱暴走をすることなく安定して起動することが可能になる。 As described above, the fuel cell system according to the present embodiment is provided with the temperature threshold T 2 as in the second embodiment, and the catalyst at the specific timing t 5 before the normal air supply is started at the time of startup. If the temperature reaches T 2 or more, delaying the air introduction. Then, in Embodiment 3, the end is heat generated by the reduction reaction of the oxidation degradation oxidation catalyst, the catalyst temperature is waiting for the fall in the T 3 are introduced the air. For this reason, air is supplied to the oxidation catalyst at the timing when it is assumed that the reduction reaction of the oxidation catalyst is completed, so even if the oxidation catalyst is started in a state of oxidative degradation, the oxidation catalyst will run out of heat due to the methanation reaction. It becomes possible to start stably without doing.

(実施の形態4)
以下に、本発明にかかる実施の形態4の燃料電池システムについて説明する。
(Embodiment 4)
The fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention will be described below.

本実施の形態4の燃料電池システムは、実施の形態3と基本的な構成は同じであるが、ステップ23における空気供給後の制御フローが異なっている。そのため、本相違点を中心に説明する。尚、実施の形態3と同一のステップ及び構成については同一の符号が用いられている。   The basic configuration of the fuel cell system of Embodiment 4 is the same as that of Embodiment 3, but the control flow after air supply in Step 23 is different. Therefore, this difference will be mainly described. In addition, the same code | symbol is used about the step and structure same as Embodiment 3. FIG.

図9は、本実施の形態4の燃料電池システムの酸化触媒の温度挙動のグラフを示す図である。図9には、通常の起動動作における触媒温度の挙動のグラフが実線で示されており、長期間停止中に酸化触媒が酸化劣化した後の起動動作における触媒温度の挙動のグラフが一点鎖線で示されている。図10は、本実施の形態4の燃料電池システムの制御フロー図である。   FIG. 9 is a graph showing a temperature behavior of the oxidation catalyst of the fuel cell system according to the fourth embodiment. In FIG. 9, the graph of the catalyst temperature behavior in the normal startup operation is indicated by a solid line, and the graph of the catalyst temperature behavior in the startup operation after the oxidation catalyst is oxidatively deteriorated during a long-term stop is indicated by a dashed line. It is shown. FIG. 10 is a control flowchart of the fuel cell system according to the fourth embodiment.

本実施の形態4の燃料電池システムでは、ステップ23において空気供給が行われた後、触媒温度がTまで上昇した場合には、制御ユニット15によって空気供給器5が停止される。このTとしては、例えば、200℃と設定することが出来る。又、空気供給を停止した時間は、時間tとして図9に示されている。尚、本発明の第4の閾値の一例は、本実施の形態のTに相当する。 In the fuel cell system of the fourth embodiment, after the air supply is performed in step 23, when the catalyst temperature rises to T 4, the air supply device 5 is stopped by the control unit 15. As the T 4, for example, it can be set to 200 ° C.. Also, the time to stop the air supply is shown as a time t 7 in FIG. Incidentally, an example of a fourth threshold value of the present invention corresponds to T 4 of the present embodiment.

一方、空気供給が行われた後、CO濃度が十分低減されるまでの間に触媒温度がTにならない場合には、固体高分子型燃料電池7側にCO除去器3出口ガスが切り換えられ、発電が開始される。尚、CO濃度が十分低減されるまでの時間としては、ステップ23における空気供給から一定時間経過後としてもよいし、一酸化炭素の濃度を測定するセンサーを設けてCO濃度の低減を検出した時間としても良い。 Meanwhile, after the air supply is performed, when the catalyst temperature until the CO concentration is sufficiently reduced is not a T 4 is, CO remover 3 exit gas is switched to the polymer electrolyte fuel cell 7 side Power generation is started. The time until the CO concentration is sufficiently reduced may be after a certain time has elapsed from the air supply in step 23, or the time when the sensor for measuring the concentration of carbon monoxide is provided to detect the reduction of the CO concentration. It is also good.

以上のように、本実施の形態4の燃料電池システムは、実施の形態3と同様に温度閾値Tを設け、起動時において通常空気供給が開始されるよりも前の特定のタイミングtで触媒温度がT以上になった場合、空気導入を遅らせ、水素含有ガスにより酸化触媒の還元反応による発熱が終わり、触媒温度が下がるのを待って空気を導入する。そして、本実施の形態4では、空気供給開始迄の酸化触媒の還元反応が不十分であるため、空気供給後に、酸化触媒の還元反応の発熱と酸化反応による発熱により触媒の温度が上昇し第4の閾値T以上になると熱暴走する可能性があるため、空気供給が停止される。そのため、酸化触媒が酸化劣化した後の起動動作においてより確実に酸化触媒の温度の急激な上昇を抑制することが出来、安定した起動動作を実行することが可能になる。 As described above, the fuel cell system of the fourth embodiment, similarly provided the temperature threshold value T 2 and the third embodiment, a normal specific timing t 5 before the air supply is started at the time of startup when the catalyst temperature reaches T 2 or higher, delay the air introduction end is heated by a hydrogen-containing gas by a reduction reaction of the oxidation catalyst, waiting for the catalyst temperature drops to introduce air. In Embodiment 4, since the reduction reaction of the oxidation catalyst until the start of air supply is insufficient, the temperature of the catalyst rises due to the heat generated by the reduction reaction of the oxidation catalyst and the heat generated by the oxidation reaction after the air supply. When the threshold value T4 of 4 or more is reached, there is a possibility of thermal runaway, so the air supply is stopped. Therefore, the rapid increase in the temperature of the oxidation catalyst can be more reliably suppressed in the starting operation after the oxidation catalyst is oxidized and deteriorated, and a stable starting operation can be executed.

(実施の形態5)
以下に、本発明にかかる実施の形態5の燃料電池システムについて説明する。
(Embodiment 5)
The fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention will be described below.

本実施の形態5の燃料電池システムは、実施の形態4と基本的な構成は同じであるが、ステップ42における空気供給停止後の制御フローが異なっている。そのため、本相違点を中心に説明する。尚、実施の形態4と同一のステップ及び構成については同一の符号が用いられている。   The basic configuration of the fuel cell system of the fifth embodiment is the same as that of the fourth embodiment, but the control flow after the air supply stop in step 42 is different. Therefore, this difference will be mainly described. In addition, the same code | symbol is used about the same step and structure as Embodiment 4. FIG.

図11は、本実施の形態4の燃料電池システムの酸化触媒の温度挙動のグラフを示す図である。図11には、通常の起動動作における触媒温度の挙動のグラフが実線で示されており、長期間停止中に酸化触媒が酸化劣化した後の起動動作における触媒温度の挙動のグラフが一点鎖線で示されている。図12は、本実施の形態4の燃料電池システムの制御フロー図である。   FIG. 11 is a graph showing a temperature behavior of the oxidation catalyst of the fuel cell system according to the fourth embodiment. In FIG. 11, the graph of the catalyst temperature behavior in the normal startup operation is shown by a solid line, and the graph of the catalyst temperature behavior in the startup operation after the oxidation catalyst is oxidatively deteriorated during a long-term stop is shown by a one-dot chain line. It is shown. FIG. 12 is a control flowchart of the fuel cell system according to the fourth embodiment.

本実施の形態5の燃料電池システムでは、実施の形態4で説明した空気供給停止(S42)後に、触媒温度がT以下になるまで待機し、T以下になると、ステップ23へと進み、再び空気供給器5から空気供給が開始される。この再び空気供給が開始された時間が、tとして図11に示されている。尚、本発明の第5の閾値の一例は、本実施の形態のTの相当する。 In the fuel cell system of the fifth embodiment, after the air supply is stopped as described in the fourth embodiment (S42), the catalyst temperature is to wait until the T 5 below, at a T 5 or less, the process proceeds to step 23, Air supply is started again from the air supplier 5. Time This again air supply is started is shown in Figure 11 as t 8. Incidentally, the fifth example of the threshold of the present invention corresponds to T 5 of the present embodiment.

本実施の形態5の燃料電池システムでは、酸化触媒に一度空気を供給し、酸化触媒が熱暴走する前に空気の供給を停止後、触媒温度がT以下になるまで空気供給を停止するため、酸化触媒が熱暴走する危険性がなく、空気供給停止後、触媒温度がT以下になるまでの間に酸化触媒の還元反応が完了する可能性が高いため、その後再び空気を供給する場合に、より確実に触媒温度の急激な上昇を抑制することが出来、安定した状態で燃料電池の発電運転に移行することが可能になる。 In the fuel cell system of the fifth embodiment, once supplying air to the oxidation catalyst, after stopping the supply of air before the oxidation catalyst is thermally runaway, to stop the air supply until the catalyst temperature becomes T 5 below , without the risk of oxidation catalyst is thermally runaway, after stopping the air supply, it is highly likely that the reduction reaction of the oxidation catalyst is completed until the catalyst temperature becomes T 5 below, if thereafter again supply air In addition, the rapid increase in the catalyst temperature can be suppressed more reliably, and the fuel cell can be shifted to the power generation operation in a stable state.

以下、本発明の燃料電池システムの酸化触媒の酸化後の挙動について、実施例に基づいてより具体的に説明する。   Hereinafter, the behavior after oxidation of the oxidation catalyst of the fuel cell system of the present invention will be described more specifically based on examples.

(実施例1)
3mm直径のRu/γ―Al触媒をマイクロリアクターに充填し、0.5%CO−20%CO/Hのボンベを用い、露点64℃のガスを作り、触媒温度150℃で[O]/ [CO]=2となるように空気を供給し、反応させた。SV4200h-1とし、触媒上流から4mmの点の触媒温度を熱伝対で測定した。反応後に、水素含有ガスと水の供給を停止し、空気を供給したまま室温まで冷却した。この試験を60回くり返し、その後、起動動作を行った。
(Example 1)
A 3 mm diameter Ru / γ-Al 2 O 3 catalyst is packed into a microreactor, and a gas with a dew point of 64 ° C. is produced using a cylinder of 0.5% CO-20% CO 2 / H 2 at a catalyst temperature of 150 ° C. Air was supplied and reacted so that [O 2 ] / [CO] = 2. And SV4200h -1, the catalyst temperature of the point of 4mm from the catalyst upstream was measured with a thermocouple. After the reaction, the supply of hydrogen-containing gas and water was stopped, and the mixture was cooled to room temperature while supplying air. This test was repeated 60 times, and then a starting operation was performed.

起動動作は、マイクロリアクターに充填した触媒に対して都市ガス13Aでパージを行い、電気炉温度を130℃まで上昇させ、0.5%CO−20%CO/H(改質模擬ガス)と、露点64℃の水を供給した。 In the start-up operation, the catalyst charged in the microreactor is purged with city gas 13A, the electric furnace temperature is increased to 130 ° C., and 0.5% CO-20% CO 2 / H 2 (reformed simulated gas) Then, water having a dew point of 64 ° C. was supplied.

この結果、触媒温度が137℃で、メタン濃度が620ppmとなった(下記表1のC参照)。   As a result, the catalyst temperature was 137 ° C. and the methane concentration was 620 ppm (see C in Table 1 below).

更に、30分後に空気を供給すると、酸化された触媒では、触媒温度が185℃まで上昇し、メタン濃度も6000ppmと増加し、触媒温度の急激な上昇と共にメタン化が促進されていることが分かる(下記表1のD参照)。   Furthermore, when air is supplied after 30 minutes, it can be seen that in the oxidized catalyst, the catalyst temperature rises to 185 ° C., the methane concentration also increases to 6000 ppm, and the methanation is promoted as the catalyst temperature rapidly rises. (See D in Table 1 below).

(比較例1)
60回の空気の供給停止を行わずに、マイクロリアクターに充填された3mm直径のRu/γ―Al触媒に、都市ガス13Aでパージを行い、電気炉温度を130℃まで上昇させ、0.5%CO−20%CO/Hと、露点64℃の水を供給した。尚、60回の空気の供給停止を行っていない状態の触媒をFresh状態という。
(Comparative Example 1)
Without stopping the supply of air 60 times, the 3 mm diameter Ru / γ-Al 2 O 3 catalyst packed in the microreactor was purged with city gas 13A, the electric furnace temperature was raised to 130 ° C., 0.5% CO-20% CO 2 / H 2 and water with a dew point of 64 ° C. were supplied. The catalyst in a state where the supply of air has not been stopped 60 times is referred to as a Fresh state.

このFreshの状態では、電気炉温度130℃で、改質模擬ガス(0.5%CO−20%CO/H)に切り替えてから30分後には、触媒温度が130℃でメタン濃度が510ppmとなった(下記表1のA参照)。 In this Fresh state, at the electric furnace temperature of 130 ° C., 30 minutes after switching to the reforming simulation gas (0.5% CO-20% CO 2 / H 2 ), the catalyst temperature is 130 ° C. and the methane concentration is The result was 510 ppm (see A in Table 1 below).

更に、30分後に、空気を供給すると、Freshの場合、触媒温度は179℃で、メタン濃度が2570ppmであった(下記表1のB参照)。   Furthermore, when air was supplied after 30 minutes, in the case of Fresh, the catalyst temperature was 179 ° C. and the methane concentration was 2570 ppm (see B in Table 1 below).

Figure 2008201650
(表1)の結果から、60回の空気の供給停止を行って、触媒を酸化した場合に、起動動作を行い、空気を供給すると、メタン化反応が起こり触媒温度の急激な上昇が起こりやすくなっていることがわかる。
Figure 2008201650
From the result of (Table 1), when the air supply is stopped 60 times and the catalyst is oxidized, the start-up operation is performed, and when air is supplied, the methanation reaction occurs and the catalyst temperature is likely to rise rapidly. You can see that

(実施例2)
実施例1と同様に、60回の空気供給により酸化させた触媒の起動を行った。改質模擬ガスに切り替えてから、30分後には、触媒温度が136℃で、メタン濃度が590ppmであった(下記表2のE参照)。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, the oxidized catalyst was activated by 60 times of air supply. 30 minutes after switching to the reformed simulation gas, the catalyst temperature was 136 ° C. and the methane concentration was 590 ppm (see E in Table 2 below).

この条件で一日上記改質模擬ガスの通流を継続したところ、触媒温度が131℃で、メタン濃度が510ppmとさがり、Ruが還元され、発熱が少なくなっていた(下記表2のF参照)。   When the flow of the reforming simulation gas was continued for one day under these conditions, the catalyst temperature was 131 ° C., the methane concentration was reduced to 510 ppm, Ru was reduced, and heat generation was reduced (see F in Table 2 below). ).

この後、空気を[O]/ [CO]=2で供給すると、触媒温度が180℃で、メタン濃度3100ppmとなり、還元により触媒温度の急激な上昇が起こりにくい状態に戻っていることがわかる(下記表2のG参照)。 After that, when air is supplied at [O 2 ] / [CO] = 2, the catalyst temperature is 180 ° C., the methane concentration becomes 3100 ppm, and it can be seen that the catalyst temperature returns to a state where it is difficult for the catalyst temperature to rapidly increase due to the reduction. (See G in Table 2 below).

Figure 2008201650
(実施例3)
実施例1と同様に、60回の空気供給により酸化させた触媒の起動を行った。起動は、13Aパージを行い、電気炉温度を140℃まで上昇させ、改質模擬ガスに切り替えてから、30分後に空気を[O]/ [CO]=2で供給した。
Figure 2008201650
(Example 3)
In the same manner as in Example 1, the oxidized catalyst was activated by 60 times of air supply. In the start-up, 13A purge was performed, the electric furnace temperature was raised to 140 ° C., and after switching to the reformed simulation gas, air was supplied at [O 2 ] / [CO] = 2 after 30 minutes.

すると、触媒温度が210℃まで急激に上昇した。この時点で、空気の供給を止め、触媒温度が142℃まで冷えた後、再び空気を供給したところ、触媒温度は190℃までしか上昇しなかった。この制御は、実施の形態5で説明した制御フローの一例に相当する。   Then, the catalyst temperature rose rapidly to 210 ° C. At this time, the supply of air was stopped, the catalyst temperature was cooled to 142 ° C., and then air was supplied again. As a result, the catalyst temperature increased only to 190 ° C. This control corresponds to an example of the control flow described in the fifth embodiment.

本例のように、空気供給開始後に酸化触媒が熱暴走しそうな温度にまで上昇しても、空気供給を一旦停止し、温度が低下してから再び空気供給を行うと、触媒温度が急激に上昇しにくいことがわかった。   Even if the oxidation catalyst rises to a temperature at which it is likely to run out of heat after the start of air supply, as shown in this example, if the air supply is temporarily stopped and the air is supplied again after the temperature has dropped, the catalyst temperature will rapidly increase. I found it difficult to rise.

本発明の水素生成装置は、CO除去器の酸化触媒が劣化しているにも拘わらず、起動動作が開始されるまでの間に装置として酸化触媒の酸化劣化に関連する異常が検知されていない場合であっても、安定して起動することが可能であり、燃料電池システム、及びその運転方法等として有用である。   In the hydrogen generator of the present invention, although the oxidation catalyst of the CO remover has deteriorated, no abnormality related to the oxidation deterioration of the oxidation catalyst has been detected as the device until the start-up operation is started. Even if it is a case, it is possible to start stably, and it is useful as a fuel cell system and its operation method.

本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムの概略図1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明にかかる実施の形態1の燃料電池システムにおける酸化触媒の起動時の温度経時変化のグラフを示す図The figure which shows the graph of the temperature temporal change at the time of starting of the oxidation catalyst in the fuel cell system of Embodiment 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムの起動時の制御フロー図FIG. 3 is a control flow chart at the time of starting the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. 本発明にかかる実施の形態1における燃料電池システムの変形例の起動時の制御フロー図Control flow chart at start-up of a modification of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention 本発明にかかる実施の形態2の燃料電池システムにおける酸化触媒の起動時の温度経時変化のグラフを示す図The figure which shows the graph of the temperature temporal change at the time of starting of the oxidation catalyst in the fuel cell system of Embodiment 2 concerning this invention. 本発明にかかる実施の形態2における燃料電池システムの起動時の制御フロー図Control flow chart at the time of starting the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention 本発明にかかる実施の形態3の燃料電池システムにおける酸化触媒の起動時の温度経時変化のグラフを示す図The figure which shows the graph of the temperature temporal change at the time of starting of the oxidation catalyst in the fuel cell system of Embodiment 3 concerning this invention. 本発明にかかる実施の形態3における燃料電池システムの起動時の制御フロー図FIG. 7 is a control flow chart at the time of starting the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention. 本発明にかかる実施の形態4の燃料電池システムにおける酸化触媒の起動時の温度経時変化のグラフを示す図The figure which shows the graph of the temperature aging change at the time of starting of the oxidation catalyst in the fuel cell system of Embodiment 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施の形態4における燃料電池システムの起動時の制御フロー図FIG. 7 is a control flow chart at the time of starting the fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention. 本発明にかかる実施の形態5の燃料電池システムにおける酸化触媒の起動時の温度経時変化のグラフを示す図The figure which shows the graph of the temperature temporal change at the time of starting of the oxidation catalyst in the fuel cell system of Embodiment 5 concerning this invention. 本発明にかかる実施の形態5における燃料電池システムの起動時の制御フロー図FIG. 7 is a control flow chart at the time of starting the fuel cell system according to the fifth embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 改質器
2 変成器
3 CO除去器
4 第1の加熱ユニット
5 空気供給器
6 第2温度検出器
7 固体高分子型燃料電池(PEFC)
8 第2の加熱ユニット
9 第3温度検出器
10 アノードオフガス経路
11 水素生成装置
12 バーナー
13 バイパス経路
14 切替バルブ
15 制御ユニット
16 第1温度検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reformer 2 Transformer 3 CO remover 4 1st heating unit 5 Air supply device 6 2nd temperature detector 7 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC)
8 Second heating unit 9 Third temperature detector 10 Anode off-gas path 11 Hydrogen generator 12 Burner 13 Bypass path 14 Switching valve 15 Control unit 16 First temperature detector

Claims (8)

原料の改質反応により水素含有ガスを生成するための改質器と、
前記改質器から送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減するためのCO除去器と、
前記CO除去器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、
前記CO除去器の温度を検出する温度検出器と、
制御器とを備え、
前記制御器は、起動時に、前記温度検出器の検出温度が通常起動時の温度よりも高い場合、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給開始を通常起動時よりも遅らせることを特徴とする水素生成装置。
A reformer for generating a hydrogen-containing gas by a reforming reaction of the raw material;
A CO remover for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas delivered from the reformer by an oxidation reaction;
An oxidizing gas supply for supplying an oxidizing gas to the CO remover;
A temperature detector for detecting the temperature of the CO remover;
With a controller,
The controller is characterized in that at the time of startup, if the temperature detected by the temperature detector is higher than the temperature at the time of normal startup, the controller starts delaying the supply of the oxidizing gas from the oxidizing gas supplier from that at the time of normal startup. Hydrogen generator.
前記制御器は、起動時に、前記温度検出器の検出温度が第1の閾値以上になる時間が通常よりも早い場合、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給開始を、通常起動時よりも遅らせる、請求項1記載の水素生成装置。   When the time when the temperature detected by the temperature detector is equal to or higher than the first threshold is earlier than normal at the time of startup, the controller starts supplying the oxidizing gas from the oxidizing gas supplier than at the time of normal startup. The hydrogen generator according to claim 1, wherein the hydrogen generator is delayed. 前記制御器は、起動時に、前記温度検出器の検出温度が特定のタイミングで第2の閾値以上になった場合、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給開始を、通常起動時よりも遅らせる、請求項1記載の水素生成装置。   The controller delays the start of the supply of the oxidizing gas from the oxidizing gas supply device at the time of startup when the temperature detected by the temperature detector becomes equal to or higher than the second threshold value at a specific timing. The hydrogen generator according to claim 1. 前記制御器は、前記温度検出器の検出温度が、低下して第3の閾値以下になると前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給を開始する、請求項2または3に記載の水素生成装置。   4. The hydrogen generator according to claim 2, wherein the controller starts supplying the oxidizing gas from the oxidizing gas supply device when the temperature detected by the temperature detector decreases to be equal to or lower than a third threshold value. 5. . 前記制御器は、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給を開始した後、前記温度検出器で検出される温度が、前記第3の閾値よりも大きい第4の閾値以上になると前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給を停止する、請求項4記載の水素生成装置。   The controller starts supplying the oxidizing gas from the oxidizing gas supplier, and then the oxidizing gas is detected when a temperature detected by the temperature detector becomes equal to or higher than a fourth threshold value that is larger than the third threshold value. The hydrogen generator according to claim 4, wherein the supply of the oxidizing gas from the supplier is stopped. 前記制御器は、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給を停止した後、前記温度検出器で検出される温度が、前記第4の閾値より小さい第5の閾値以下になると前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給を再開する、請求項5記載の水素生成装置。   The controller stops supplying the oxidizing gas from the oxidizing gas supplier, and then supplies the oxidizing gas when the temperature detected by the temperature detector becomes equal to or lower than a fifth threshold value that is smaller than the fourth threshold value. The hydrogen generator according to claim 5, wherein the supply of the oxidizing gas from the vessel is resumed. 請求項1〜6のいずれかに記載の水素生成装置と、
前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備えた、燃料電池システム。
A hydrogen generator according to any one of claims 1 to 6;
A fuel cell system comprising: a fuel cell that generates electricity using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator.
原料の改質反応により水素含有ガスを生成するための改質器と、前記改質器から送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減するためのCO除去器と、前記CO除去器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、前記CO除去器の温度を検出する温度検出器とを備えた水素生成装置の運転方法であって、
起動時に、前記温度検出器の検出温度が通常起動時の温度よりも高い場合、前記酸化ガス供給器からの酸化ガスの供給開始を通常起動時よりも遅らせるように制御を行うことを特徴とする水素生成装置の運転方法。
A reformer for generating a hydrogen-containing gas by a reforming reaction of the raw material; a CO remover for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas delivered from the reformer by an oxidation reaction; and the CO An operating method of a hydrogen generator comprising an oxidizing gas supplier for supplying oxidizing gas to a remover and a temperature detector for detecting the temperature of the CO remover,
At the time of startup, when the temperature detected by the temperature detector is higher than the temperature at the time of normal startup, control is performed so that the start of supply of the oxidizing gas from the oxidizing gas supplier is delayed from that at the time of normal startup. Operation method of hydrogen generator.
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