JP2001176533A - Fuel cell system and fuelcell cogeneration hot-water supply system - Google Patents
Fuel cell system and fuelcell cogeneration hot-water supply systemInfo
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- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
及び燃料電池コジェネレーション給湯システムに関す
る。[0001] The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell cogeneration hot water supply system.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料電池は、負極に送り込まれるＨ2を
燃料とし、正極に送り込まれるＯ2を酸化剤として、こ
れらを電解質を通じて反応させる発電器として一般に知
られている。この燃料電池に使用させるＨ2は炭化水素
又はメタノールを改質することによって生成することが
できる。2. Description of the Related Art A fuel cell is generally known as a power generator in which H 2 fed to a negative electrode is used as fuel and O 2 sent to a positive electrode is used as an oxidant, and these are reacted through an electrolyte. H 2 to be used by the fuel cell can be produced by modifying the hydrocarbon or methanol.
【０００３】特開平１０−３０８２３０号公報には、か
かる燃料電池を備えた燃料電池システムが開示されてい
る。この燃料電池システムは、炭化水素を下記（１）式
に示す水蒸気改質反応によってＨ2とＣＯとに改質する
燃料改質器と、この改質の際生成するＣＯを下記（２）
式に示す水性ガスシフト反応によって酸化させ、ＣＯ濃
度の低減及びＨ2の収率を向上させるＣＯ変成器と、さ
らに残存するＣＯを下記（３）式に示す選択酸化反応に
よってさらに除去する選択酸化反応器とを備えている。[0003] JP-A-10-308230 discloses a fuel cell system equipped with such a fuel cell. This fuel cell system includes a fuel reformer that reforms hydrocarbons into H 2 and CO by a steam reforming reaction represented by the following formula (1), and CO generated at the time of the reforming by the following formula (2)
A CO converter for oxidizing by a water gas shift reaction shown in the formula to reduce the CO concentration and improving the yield of H 2 , and a selective oxidation reaction for further removing remaining CO by a selective oxidation reaction shown in the following formula (3) And a container.
【０００４】 ＣnＨm＋ｎＨ2Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ2 ………（１） ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2 ………（２） ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2 ………（３）CnHm + nH 2 O → nCO + (n + m / 2) H 2 (1) CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2) CO + 1 / 2O 2 → CO 2 (3)
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記燃料電
池システムにおいて、燃料改質器、ＣＯ変成器及び選択
酸化器の各反応器は、上記各反応に対して活性を呈する
触媒が多量に充填されている。このため各反応器の熱容
量は大きく、触媒温度が上昇して反応活性を呈し、燃料
電池システムが機能するまでにはある程度の時間を要す
る。特に燃焼反応を起こさないＣＯ変成器では、温度上
昇が他に比べて著しく遅く、これが燃料電池システムの
立ち上げに長時間を要する主要因となっている。By the way, in the above-mentioned fuel cell system, each reactor of the fuel reformer, the CO shift converter and the selective oxidizer is filled with a large amount of a catalyst exhibiting an activity for each of the above reactions. ing. For this reason, the heat capacity of each reactor is large, the catalyst temperature rises to exhibit a reaction activity, and it takes some time before the fuel cell system functions. In particular, in a CO converter that does not cause a combustion reaction, the temperature rise is significantly slower than the others, and this is a major factor that takes a long time to start up the fuel cell system.
【０００６】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、システム自体を繁雑
にすることなく、ＣＯ変成器の温度上昇を迅速化するこ
とができる燃料電池システムを得ることにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of rapidly increasing the temperature of a CO converter without complicating the system itself. Is to get
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池シス
テムの起動時から所定時間、ＣＯ変成器（７）において
Ｈ2の燃焼反応を起こさせるようにしたものである。According to the present invention, a combustion reaction of H 2 is caused to occur in the CO converter (7) for a predetermined time from the start of the fuel cell system.
【０００８】具体的には、本出願の発明は、炭化水素系
の原燃料から部分酸化反応によってＨ2とＣＯとを含む
改質ガスを生成するための燃料改質器（６）と、上記燃
料改質器（６）で生成した改質ガスに含まれるＣＯから
水性ガスシフト反応によってＨ2とＣＯ2とを生成するた
めのＣＯ変成器（７）と、上記燃料改質器（６）及び上
記ＣＯ変成器（７）おいて生成したＨ2を燃料として発
電する燃料電池（１）と、起動時からの所定時間、上記
ＣＯ変成器（７）において上記燃料改質器（６）で生成
したＨ2の燃焼反応を起こさせるように該ＣＯ変成器
（７）にＯ2を供給するＯ2供給手段とを備えることを特
徴とする。Specifically, the invention of the present application provides a fuel reformer (6) for producing a reformed gas containing H 2 and CO from a hydrocarbon-based raw fuel by a partial oxidation reaction, A CO converter (7) for generating H 2 and CO 2 from CO contained in the reformed gas generated by the fuel reformer (6) by a water gas shift reaction, and the fuel reformer (6); A fuel cell (1) that generates electricity using H 2 generated in the CO converter (7) as fuel, and a fuel cell (1) generated in the CO reformer (6) for a predetermined time from the start-up. characterized in that it comprises the said CO shift converter so as to cause the combustion reaction of H 2 and O 2 supply means for supplying a O 2 (7).
【０００９】上記の構成によれば、ＣＯ変成器（７）へ
のＯ2の供給が可能であり、燃料電池システムの起動時
からの所定時間、ＣＯ変成器（７）において燃料改質器
（６）で生成したＨ2の燃焼反応を起こさせることがで
きる（下記（４）式参照）。これによって、ＣＯ変成器
（７）は迅速に温度が上昇し、燃料電池システムの立ち
上げ時間が短縮化されることとなる。しかも、ＣＯ変成
器（７）へのＯ2供給手段を設ける、という簡便な方法
により目的が達成されるので、ＣＯ変成器（７）に別途
加熱装置を設ける場合に比べてコストがかからず、且つ
燃料電池システムも繁雑とならない。According to the above configuration, O 2 can be supplied to the CO converter (7), and the CO reformer (7) can supply the fuel reformer (7) for a predetermined time from the start of the fuel cell system. The combustion reaction of H 2 generated in 6) can be caused (see the following formula (4)). As a result, the temperature of the CO converter (7) rises quickly, and the start-up time of the fuel cell system is shortened. In addition, since the object is achieved by a simple method of providing O 2 supply means to the CO converter (7), the cost is lower than when a separate heating device is provided in the CO converter (7). In addition, the fuel cell system is not complicated.
【００１０】 Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ ………（４） ここで、かかるＯ2供給手段の具体的構成としては、燃
料電池（１）に空気を供給する空気供給管（２０）から
分岐してＣＯ変成器（７）に空気を供給する分岐管（２
２）と、その分岐管（２２）に介設され且つ起動時から
所定時間の間開く開閉弁（１１）とを備えたものを挙げ
ることができる。H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (4) Here, as a specific configuration of the O 2 supply means, an air supply pipe (20) for supplying air to the fuel cell (1) A branch pipe (2) that branches off from and supplies air to the CO transformer (7).
2) and an on-off valve (11) interposed in the branch pipe (22) and opened for a predetermined time from the start-up.
【００１１】また、Ｏ2供給手段は、ＣＯ変成器（７）
における第１触媒及び第２触媒の温度が５００℃以下と
なるように、Ｏ2供給量を制御するＯ2供給量制御手段を
備えていることが好ましい。第１触媒又は第２触媒が５
００℃より高い温度となると、触媒がシンタリングして
ＣＯ変成器（７）の耐久性に支障をきたす虞があるから
である。かかる具体的構成としては、上記の分岐管（２
２）と開閉弁（１１）とを備えた構成において、ＣＯ変
成器（７）における第１触媒及び第２触媒の温度に応じ
て開閉弁（１１）の開閉度を制御する手段を挙げること
ができる。The O 2 supply means is a CO converter (7)
As the temperature of the first catalyst and the second catalyst becomes 500 ° C. or less at, preferably comprises an O 2 supply amount control means for controlling the O 2 supply. The first catalyst or the second catalyst is 5
If the temperature is higher than 00 ° C., the catalyst may sinter and the durability of the CO converter (7) may be impaired. As a specific configuration, the branch pipe (2
In the configuration including 2) and the on-off valve (11), there is a means for controlling the degree of opening and closing of the on-off valve (11) in accordance with the temperatures of the first catalyst and the second catalyst in the CO converter (7). it can.
【００１２】ＣＯ変成器（７）に設置する触媒は単一物
質の触媒でも水性ガスシフト反応に活性を呈する第１触
媒とＨ2の燃焼反応に活性を呈する第２触媒との両方を
含む構成であってもよい。また、かかる触媒としては、
変性反応及びＨ2の燃焼反応に高い活性を呈し、且つ副
反応がなく高温耐久性の高いＰｔ又はＰｔ−Ｒｕの合金
を活性金属として用いるのが好適である。[0012] The catalyst installed in the CO converter (7) has a structure including both a first catalyst exhibiting activity in the water gas shift reaction and a second catalyst exhibiting activity in the combustion reaction of H 2 even if it is a single substance catalyst. There may be. Also, as such a catalyst,
It is preferable to use Pt or a Pt-Ru alloy having high activity in the denaturation reaction and the combustion reaction of H 2 and having no side reaction and high durability at high temperature as the active metal.
【００１３】また、立ち上げ時にＣＯ変成器（７）に供
給される原料ガスとＯ2含有ガスの混合気体を加熱する
加熱手段を備えている構成としてもよい。供給される混
合気体の温度が室温近くではＨ2が安定して燃焼しない
可能性があるが、かかる構成によれば、Ｈ2の着火温度
まで混合気体を予熱することも可能となり、Ｈ2の燃焼
反応を確実に起こさせることができる。かかる具体的構
成としては、ＣＯ変成器（７）に供給される混合ガス及
びその混合ガスよりも高温の熱媒体がそれぞれ別個に流
通するように形成された熱交換器（３２）を設け、その
熱交換器（３２）において混合ガスと熱媒体とを熱交換
させる手段を挙げることができる。Further, a heating means for heating a mixed gas of the raw material gas and the O 2 -containing gas supplied to the CO converter (7) at startup may be provided. The temperature of the mixed gas to be supplied is H 2 is near the room temperature may not stably burn, according to this configuration, it becomes possible to preheat the gas mixture to the ignition temperature of the H 2, the H 2 A combustion reaction can be reliably caused. As such a specific configuration, there is provided a heat exchanger (32) formed such that a mixed gas supplied to the CO converter (7) and a heat medium higher in temperature than the mixed gas flow separately. Means for exchanging heat between the mixed gas and the heat medium in the heat exchanger (32) can be given.
【００１４】そして、この場合、燃料電池システムと、
燃料電池システムに併設された給湯システムとを備え、
熱交換器（３２）は、燃料改質器（６）を出た後であっ
て且つＣＯ変成器（７）に入る前の改質ガスが熱媒体と
別個に流通するように形成され、且つその熱媒体が給湯
システムの温水である燃料電池コジェネレーション給湯
システムを構成してもよい。かかる構成によれば、燃料
電池システムの定常運転時には燃料改質器（６）を出た
改質ガスの排熱を熱交換器（３２）において給湯器の温
水により回収することができ、一方、燃料電池システム
の立ち上げ時にはＣＯ変成器（７）に供給されるＯ2を
熱交換器（３２）において給湯器の温水で予熱すること
ができる。すなわち、１つの熱交換器（３２）により、
定常運転時における燃料改質器（６）から出た改質ガス
の排熱回収と、立ち上げ時における予熱とを行うことが
できる。In this case, the fuel cell system includes:
A hot water supply system attached to the fuel cell system,
The heat exchanger (32) is formed such that the reformed gas after leaving the fuel reformer (6) and before entering the CO converter (7) flows separately from the heat medium, and A fuel cell cogeneration hot water supply system in which the heat medium is hot water of the hot water supply system may be configured. According to such a configuration, during steady operation of the fuel cell system, the exhaust heat of the reformed gas exiting the fuel reformer (6) can be recovered in the heat exchanger (32) by the hot water from the water heater. When starting up the fuel cell system, O 2 supplied to the CO converter (7) can be preheated in the heat exchanger (32) with the hot water of the water heater. That is, by one heat exchanger (32),
Exhaust heat recovery of the reformed gas discharged from the fuel reformer (6) at the time of steady operation and preheating at the time of startup can be performed.
【００１５】[0015]
【発明の効果】以上説明したように、本出願の発明で
は、ＣＯ変成器（７）へのＯ2の供給が可能であり、し
かもＣＯ変成器（７）はＨ2の燃焼反応に活性を呈する
触媒を有しているので、燃料電池システムの起動時から
の所定時間、ＣＯ変成器（７）において燃料改質器
（６）で生成したＨ2の燃焼反応を起こさせることがで
きる。これによって、ＣＯ変成器（７）は迅速に温度が
上昇し、燃料電池システムの立ち上げ時間を短縮化する
ことができる。しかも、ＣＯ変成器（７）へのＯ2供給
手段を設ける、という簡便な方法により目的が達成され
るので、ＣＯ変成器（７）に別途加熱装置を設ける場合
に比べてコストがかからず、且つ燃料電池システムも繁
雑とならない。As described above, according to the invention of the present application, it is possible to supply O 2 to the CO converter (7), and the CO converter (7) has an activity in the combustion reaction of H 2. Because of the presence of the present catalyst, the combustion reaction of H 2 generated in the fuel reformer (6) can be caused in the CO converter (7) for a predetermined time from the start of the fuel cell system. As a result, the temperature of the CO converter (7) rises quickly, and the startup time of the fuel cell system can be shortened. In addition, since the object is achieved by a simple method of providing O 2 supply means to the CO converter (7), the cost is lower than when a separate heating device is provided in the CO converter (7). In addition, the fuel cell system is not complicated.
【００１６】また、Ｏ2供給手段が、ＣＯ変成器（７）
における触媒の温度が５００℃以下となるように、Ｏ2
供給量を制御するＯ2供給量制御手段を備えている構成
とすることにより、触媒のシンタリングが抑止され、Ｃ
Ｏ変成器（７）の耐久性を良好なものとすることができ
る。The O 2 supply means may be a CO converter (7).
O 2 so that the temperature of the catalyst at
By providing the O 2 supply amount control means for controlling the supply amount, sintering of the catalyst is suppressed, and C 2
The durability of the O transformer (7) can be improved.
【００１７】また、ＣＯ変成器（７）に供給される改質
ガスとＯ2との混合気体を加熱する加熱手段を備えてい
る構成とすることにより、Ｈ2の着火温度まで混合気体
を予熱することも可能となり、Ｈ2の燃焼反応を確実に
起こさせることができる。Further, by providing a heating means for heating a mixed gas of the reformed gas and O 2 supplied to the CO converter (7), the mixed gas is preheated to the ignition temperature of H 2. And the combustion reaction of H 2 can be reliably caused.
【００１８】また、燃料電池システムと、燃料電池シス
テムに併設された給湯システムとを備え、ＣＯ変成器
（７）に供給される上記混合気体及びその混合気体より
も高温の熱媒体がそれぞれ別々に流通するように形成さ
れ、且つ燃料改質器（６）を出た後であって且つＣＯ変
成器（７）に入る前の改質ガスが流通するようにも形成
された熱交換器（３２）を有し、そして、その熱媒体を
給湯システムの温水とする燃料電池コジェネレーション
給湯システムを構成することにより、燃料電池システム
の定常運転時には燃料改質器（６）を出た改質ガスの排
熱を熱交換器（３２）において給湯器の温水により回収
することができ、一方、燃料電池システムの立ち上げ時
にはＣＯ変成器（７）に供給される上記混合気体を熱交
換器（３２）において給湯器の温水で予熱することがで
きる。すなわち、１つの熱交換器（３２）により、定常
運転時における燃料改質器（６）から出た改質ガスの排
熱回収と、立ち上げ時におけるＯ2の予熱とを行うこと
ができる。Further, the fuel cell system includes a fuel cell system and a hot water supply system provided in parallel with the fuel cell system, and the mixed gas supplied to the CO converter (7) and the heat medium higher in temperature than the mixed gas are separately provided. A heat exchanger (32) formed to flow and formed to flow the reformed gas after exiting the fuel reformer (6) and before entering the CO converter (7). ), And by configuring a fuel cell cogeneration hot water supply system using the heat medium as hot water for the hot water supply system, the reformed gas exiting the fuel reformer (6) during the steady operation of the fuel cell system is provided. Exhaust heat can be recovered by the hot water from the water heater in the heat exchanger (32). On the other hand, when the fuel cell system is started, the mixed gas supplied to the CO converter (7) is removed by the heat exchanger (32). smell It can be preheated in the water heater of warm water. That can be performed by one heat exchanger (32), a heat recovery of the reformed gas exiting the fuel reformer (6) at the time of steady operation, and preheating of O 2 during startup.
【００１９】[0019]
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面に基づい
て詳細に説明する。 ＜燃料電池システムの構成＞図１に本発明の実施形態に
係る燃料電池システムの概略構成を示す。この燃料電池
システムにおいて、燃料電池１は、触媒電極である酸素
極（カソード）２と、同じく触媒電極である水素極（ア
ノード）３とを有する固体高分子電解質型のものであ
る。Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. <Configuration of Fuel Cell System> FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. In this fuel cell system, a fuel cell 1 is a solid polymer electrolyte type having an oxygen electrode (cathode) 2 which is a catalyst electrode and a hydrogen electrode (anode) 3 which is also a catalyst electrode.
【００２０】そして、酸素極２には空気圧縮機４が空気
供給管２０によって接続されており、空気供給管２０に
はエアフィルター５が介設されている。An air compressor 4 is connected to the oxygen electrode 2 by an air supply pipe 20, and an air filter 5 is provided in the air supply pipe 20.
【００２１】また、水素極３には燃料改質器６が改質ガ
ス供給管２４によって接続されている。改質ガス供給管
２４には、第２熱交換器３２、ＣＯ変成器７、第３熱交
換器３３、選択酸化反応器８及び第４熱交換器３４が、
燃料電池１に向かって順に設けられている。A fuel reformer 6 is connected to the hydrogen electrode 3 by a reformed gas supply pipe 24. The reformed gas supply pipe 24 includes a second heat exchanger 32, a CO converter 7, a third heat exchanger 33, a selective oxidation reactor 8, and a fourth heat exchanger 34,
They are provided in order toward the fuel cell 1.
【００２２】そして、燃料改質器６には、原燃料源（都
市ガス）が原料ガス供給管２５によって接続されてい
る。この原料ガス供給管２５には脱硫器９及び第１熱交
換器３１が燃料改質器６に向かって順に設けられてい
る。そして、第１熱交換器３１の熱媒体として燃料改質
器６から出た改質ガスが使用されるように回路が形成さ
れている。また、原料ガス供給管２５の脱硫器９の上流
部位には、空気圧縮機４から部分酸化反応用の空気を供
給すべく、空気供給管２０から分岐した第１分岐管２１
が接続されている。同様に、原料ガス供給管２５の脱硫
器９の下流部位には、水蒸気を噴霧供給する水蒸気供給
手段（図示せず）が設けられている。A raw fuel source (city gas) is connected to the fuel reformer 6 by a raw gas supply pipe 25. The source gas supply pipe 25 is provided with a desulfurizer 9 and a first heat exchanger 31 in order toward the fuel reformer 6. The circuit is formed such that the reformed gas discharged from the fuel reformer 6 is used as a heat medium of the first heat exchanger 31. A first branch pipe 21 branched from the air supply pipe 20 is provided at a position upstream of the desulfurizer 9 of the raw gas supply pipe 25 so as to supply air for the partial oxidation reaction from the air compressor 4.
Is connected. Similarly, a steam supply means (not shown) for spraying and supplying steam is provided at a position downstream of the desulfurizer 9 in the raw material gas supply pipe 25.
【００２３】また、改質ガス供給管２４の第２熱交換器
３２の上流部位には、燃料電池システム立ち上げ時にＣ
Ｏ変成器７においてＨ2の燃焼反応を起こさせるための
空気を供給すべく、空気供給管２０から分岐した第２分
岐管２２が接続されており、その第２分岐管２２には第
１開閉弁１１が介設されている。Further, at the upstream of the second heat exchanger 32 of the reformed gas supply pipe 24, C
A second branch pipe 22 branched from the air supply pipe 20 is connected to the O-transformer 7 so as to supply air for causing a combustion reaction of H 2 to occur. A valve 11 is provided.
【００２４】さらに、改質ガス供給管２４の第４熱交換
器３４の上流部位には、ＣＯ選択酸化反応用の空気を供
給すべく、空気供給管２０から分岐した第３分岐管２３
が接続されている。Further, a third branch pipe 23 branched from the air supply pipe 20 is provided at an upstream portion of the fourth heat exchanger 34 of the reformed gas supply pipe 24 so as to supply air for CO selective oxidation reaction.
Is connected.
【００２５】そして、燃料改質器６には、部分酸化反応
に活性を呈する触媒（Ｒｕ又はＲｈをＡｌ2Ｏ3に担持さ
せてなる触媒）が充填され、ＣＯ変成器７には、水性ガ
スシフト反応及びＨ2の燃焼反応の双方に高い活性を呈
する触媒（ＰｔをＡｌ2Ｏ3に担持させてなる触媒）が充
填され、選択酸化反応器８には、ＣＯ選択酸化反応に活
性を呈する触媒（Ｒｕ又はＰｔをＡｌ2Ｏ3又はゼオライ
トに担持させてなる触媒）が充填されている。また、Ｃ
Ｏ変成器７には、Ｐｔ触媒の温度を検知するセンサ（図
示せず）が設けられている。そして、そのセンサが検知
する温度に応じて第１開閉弁１１の開閉度を調節してＯ
2の供給量を制御する制御装置（図示せず）が設けられ
ている。The fuel reformer 6 is filled with a catalyst exhibiting activity in the partial oxidation reaction (a catalyst in which Ru or Rh is supported on Al 2 O 3 ). A catalyst exhibiting a high activity in both the reaction and the combustion reaction of H 2 (a catalyst comprising Pt supported on Al 2 O 3 ) is filled, and the selective oxidation reactor 8 is provided with a catalyst exhibiting an activity in the CO selective oxidation reaction. (A catalyst in which Ru or Pt is supported on Al 2 O 3 or zeolite). Also, C
The O transformer 7 is provided with a sensor (not shown) for detecting the temperature of the Pt catalyst. Then, the degree of opening and closing of the first on-off valve 11 is adjusted according to the temperature detected by the
A control device (not shown) for controlling the supply amount of 2 is provided.
【００２６】また、燃料電池１の下流部位にはオフガス
バーナー１０が設けられており、酸素極２の排ガス及び
水素極３の排ガスが合流してオフガスバーナー１０に導
かれるように管が接続されている。さらに、オフガスバ
ーナー１０の排ガスの排出管には第５熱交換器３５が設
けられている。そして、燃料電池１の水素極３の入口と
出口とはバイパス２７により繋がれており、そのバイパ
ス２７には第２開閉弁１２が介設されている。An off-gas burner 10 is provided downstream of the fuel cell 1, and a pipe is connected so that the exhaust gas from the oxygen electrode 2 and the exhaust gas from the hydrogen electrode 3 are combined and led to the off-gas burner 10. I have. Further, a fifth heat exchanger 35 is provided in the exhaust gas discharge pipe of the off-gas burner 10. The inlet and outlet of the hydrogen electrode 3 of the fuel cell 1 are connected by a bypass 27, and the bypass 27 is provided with the second on-off valve 12.
【００２７】そして、燃料電池システムには給湯システ
ムが併設されており、燃料電池コジェネレーション給湯
システムを構成している。すなわち、給湯システムの給
湯用タンク６０からポンプ７１により送られる温水が、
燃料電池１、第４熱交換器３４、選択酸化反応器８、第
３熱交換器３３、第２熱交換器３２及び第５熱交換器３
５の順に循環して給湯用タンク６０に戻る水回路５０が
設けられている。 −燃料電池システムの動作− 次に、燃料電池システムの定常運転時の動作について説
明する。なお、定常運転時においては、第１開閉弁１１
及び第２開閉弁１２は閉じた状態にある。The fuel cell system is provided with a hot water supply system, which constitutes a fuel cell cogeneration hot water supply system. That is, the hot water sent from the hot water supply tank 60 of the hot water supply system by the pump 71 is
Fuel cell 1, fourth heat exchanger 34, selective oxidation reactor 8, third heat exchanger 33, second heat exchanger 32, and fifth heat exchanger 3
A water circuit 50 circulating in the order of 5 and returning to the hot water supply tank 60 is provided. -Operation of Fuel Cell System- Next, the operation of the fuel cell system during steady operation will be described. In addition, at the time of steady operation, the first on-off valve 11
And the 2nd on-off valve 12 is in the closed state.
【００２８】原燃料は脱硫器９で脱硫された後に空気と
共に第１熱交換器３１によって加熱されて燃料改質器６
の触媒に供給され、燃料改質器６の触媒上では原燃料の
部分酸化反応が起こり、Ｈ2とＣＯとが生成する
（（１）式参照）。また、一部、水性ガスシフト反応を
も起こす（（２）式参照）。The raw fuel is desulfurized by the desulfurizer 9 and then heated by the first heat exchanger 31 together with the air to form the fuel
And a partial oxidation reaction of the raw fuel occurs on the catalyst of the fuel reformer 6 to generate H 2 and CO (see the equation (1)). In addition, a water gas shift reaction occurs partially (see equation (2)).
【００２９】燃料改質器６を出た改質ガスは、熱媒体と
して第１熱交換器３１に送られ、その後第２熱交換器３
２によって温度が下げられてＣＯ変成器７へ送られる。
そして、ＣＯ変成器７のＰｔ触媒上で起こる水性ガスシ
フト反応によってＣＯ濃度が低下する（（２）式参
照）。The reformed gas exiting the fuel reformer 6 is sent to the first heat exchanger 31 as a heat medium, and then the second heat exchanger 3
The temperature is lowered by 2 and sent to the CO converter 7.
Then, the CO concentration decreases due to the water gas shift reaction occurring on the Pt catalyst of the CO converter 7 (see equation (2)).
【００３０】ＣＯ変成器７を出た改質ガスは、第３熱交
換器３３によって温度が下げられて選択酸化反応器８へ
送られ、そこの触媒上で起こるＣＯ選択酸化反応によっ
てＣＯ濃度がさらに低下する（（３）式参照）。選択酸
化反応器８を出た改質ガスは第４熱交換器３４によって
温度が下げられて燃料電池１の水素極３に入る。The temperature of the reformed gas exiting the CO converter 7 is reduced by the third heat exchanger 33 and sent to the selective oxidation reactor 8, where the CO concentration is increased by the CO selective oxidation reaction occurring on the catalyst. It further decreases (see equation (3)). The temperature of the reformed gas exiting the selective oxidation reactor 8 is lowered by the fourth heat exchanger 34 and enters the hydrogen electrode 3 of the fuel cell 1.
【００３１】他方、空気圧縮機４から送られる空気は、
エアフィルター５を経て酸素極２に入る。On the other hand, the air sent from the air compressor 4 is
It enters the oxygen electrode 2 via the air filter 5.
【００３２】そして、燃料電池１では、水素極３の電極
表面で２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-、酸素極２の電極表面でＯ2
＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏの電池反応を起こし、直流電
力が生じる。In the fuel cell 1, 2H 2 → 4H + + 4e − on the electrode surface of the hydrogen electrode 3, and O 2 on the electrode surface of the oxygen electrode 2.
A battery reaction of + 4H + + 4e − → 2H 2 O occurs to generate DC power.
【００３３】また、このとき、酸素極２の排ガスとして
電池反応に使われなかった余剰空気と電池反応によって
生成した水蒸気とが生じ、一方、水素極３の排ガスとし
て電池反応に使用されなかった水素、未改質の原燃料、
空気及び水蒸気が生じる。酸素極２及び水素極３の各排
ガスは合流してオフガスバーナー１０に送られ、燃焼さ
れて排出される。At this time, surplus air not used for the battery reaction as the exhaust gas of the oxygen electrode 2 and water vapor generated by the battery reaction are generated, while hydrogen not used for the battery reaction as the exhaust gas of the hydrogen electrode 3 is generated. , Unmodified raw fuel,
Air and water vapor are formed. The exhaust gases from the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3 are combined and sent to the off-gas burner 10, where they are burned and discharged.
【００３４】そして、給湯用タンク６０からポンプ７１
により水回路５０に送られる温水は、燃料電池１、第４
熱交換器３４、選択酸化反応器８、第３熱交換器３３、
第２熱交換器３２及び第５熱交換器３５の順に循環して
排熱回収して給湯用タンク６０に戻る。すなわち、燃料
電池システムにおける排熱が回収され、その排熱が給湯
システムの温水の昇温に使用される。 −燃料電池システムの立ち上げ方法− 続いて、燃料電池システムの立ち上げ方法について説明
する。Then, the pump 71 is
The hot water sent to the water circuit 50 by the fuel cell 1
Heat exchanger 34, selective oxidation reactor 8, third heat exchanger 33,
The heat is circulated in the order of the second heat exchanger 32 and the fifth heat exchanger 35 to recover the exhaust heat and return to the hot water supply tank 60. That is, waste heat in the fuel cell system is recovered, and the waste heat is used to raise the temperature of hot water in the hot water supply system. -Starting method of fuel cell system-Next, a starting method of the fuel cell system will be described.
【００３５】第１開閉弁及び第２開閉弁を開いた状態と
し、燃料電池システムを起動する、すなわち、原燃料及
び空気の供給を開始する。このとき、脱硫した原燃料と
空気とが共に燃料改質器６の触媒上に供給され、触媒上
では原燃料の部分酸化反応が起こり、Ｈ2とＣＯとが生
成する（（１）式参照）。With the first on-off valve and the second on-off valve opened, the fuel cell system is started, that is, the supply of raw fuel and air is started. At this time, the desulfurized raw fuel and air are both supplied to the catalyst of the fuel reformer 6, and a partial oxidation reaction of the raw fuel occurs on the catalyst to generate H 2 and CO (see the equation (1)). ).
【００３６】燃料改質器６を出た改質ガスは、第２分岐
管２２から供給される空気と合流し、それらは第２熱交
換器３２において水回路５０を循環する給湯システムの
温水により予熱される。予熱された改質ガス及び空気は
ＣＯ変成器７に送られ、Ｐｔ触媒上でＨ2の燃焼反応が
起こる（（４）式参照）。この燃焼反応によって、ＣＯ
変成器７の温度は上昇し、Ｐｔ触媒の水性ガスシフト反
応に対する活性が高まることとなる。このとき、Ｐｔ触
媒の温度が温度センサにより検知され、それに応じてＣ
Ｏ変成器７への空気の供給量が制御される。すなわち、
触媒温度の上昇に伴って第１開閉弁１１の開閉度を調節
してＣＯ変成器７に供給する空気量を減らし、Ｈ2の燃
焼反応を抑制することによって触媒温度が５００℃を越
えることがないよう制御がなされる。The reformed gas exiting the fuel reformer 6 joins with the air supplied from the second branch pipe 22, and is mixed with the hot water of the hot water supply system circulating in the water circuit 50 in the second heat exchanger 32. Preheated. The preheated reformed gas and air are sent to the CO converter 7 where a combustion reaction of H 2 occurs on the Pt catalyst (see equation (4)). By this combustion reaction, CO 2
The temperature of the converter 7 rises, and the activity of the Pt catalyst for the water gas shift reaction increases. At this time, the temperature of the Pt catalyst is detected by the temperature sensor, and accordingly, C
The supply amount of air to the O transformer 7 is controlled. That is,
As the catalyst temperature rises, the opening / closing degree of the first on-off valve 11 is adjusted to reduce the amount of air supplied to the CO converter 7 and suppress the H 2 combustion reaction, so that the catalyst temperature may exceed 500 ° C. Control is performed so as not to be.
【００３７】ＣＯ変成器７を出たガスは、第３熱交換器
３３、選択酸化反応器８、第４熱交換器３４及びバイパ
ス２７を経て燃料電池１の水素極３の出口側にへ送ら
れ、最終的にはオフガスバーナー１０により燃焼されて
排出される。The gas exiting the CO converter 7 is sent to the outlet side of the hydrogen electrode 3 of the fuel cell 1 via the third heat exchanger 33, the selective oxidation reactor 8, the fourth heat exchanger 34 and the bypass 27. The fuel is finally burned and discharged by the off-gas burner 10.
【００３８】そして、Ｐｔ触媒が水性ガスシフト反応に
対して高活性を呈する程度までＣＯ変成器７の温度が上
昇した時点で第１開閉弁１１及び第２開閉弁１２を閉
じ、定常運転に移行する。 −作用・効果− 上記構成の燃料電池システムによれば、ＣＯ変成器７へ
のＯ2の供給が可能であり、しかもＣＯ変成器７はＨ2の
燃焼反応に活性を呈するＰｔ触媒を有しているので、燃
料電池システムの起動時からの所定時間、ＣＯ変成器７
において燃料改質器６で生成したＨ2の燃焼反応を起こ
させることができる。これによって、ＣＯ変成器７は迅
速に温度が上昇し、Ｐｔ触媒が水性ガスシフト反応に対
して活性化され、燃料電池システムの立ち上げ時間が短
縮化されることとなる。具体的には、１０分程度かかっ
ていた燃料電池システムの立ち上げが、半分の５分程度
に短縮されることとなる。しかも、第２熱交換器３２の
上流部位に第２分岐管２２を接続してＣＯ変成器７にＯ
2を供給できるようにする、という簡便な方法により目
的が達成されるので、ＣＯ変成器７に別途加熱装置を設
ける場合に比べてコストがかからず、且つ燃料電池シス
テムも繁雑とならない。When the temperature of the CO converter 7 rises to such an extent that the Pt catalyst exhibits a high activity with respect to the water gas shift reaction, the first on-off valve 11 and the second on-off valve 12 are closed, and the operation shifts to a steady operation. . -Operation / Effect- According to the fuel cell system configured as described above, O 2 can be supplied to the CO converter 7, and the CO converter 7 has a Pt catalyst exhibiting activity in the combustion reaction of H 2. Therefore, the CO converter 7 has a predetermined time from the start of the fuel cell system.
Thus, a combustion reaction of H 2 generated in the fuel reformer 6 can be caused. As a result, the temperature of the CO converter 7 quickly rises, the Pt catalyst is activated for the water gas shift reaction, and the startup time of the fuel cell system is shortened. Specifically, the startup of the fuel cell system, which took about 10 minutes, is reduced to half, about 5 minutes. In addition, the second branch pipe 22 is connected to an upstream portion of the second heat exchanger 32, and the CO
Since the object is achieved by a simple method of supplying 2 , the cost is lower than when a separate heating device is provided in the CO converter 7, and the fuel cell system is not complicated.
【００３９】また、水性ガスシフト反応に対する活性を
呈する触媒と、Ｈ2の燃焼反応に対する活性を呈する触
媒とが同一のＰｔ又はＰｔとＲｕとの合金を活性金属と
する触媒であり、ＣＯ変成器７にＰｔ又はＰｔとＲｕと
の合金を活性金属とする触媒のみを設けるだけでよいの
でＣＯ変成器７の構成が簡略化されることとなる。Further, the catalyst exhibiting the activity for the water gas shift reaction and the catalyst exhibiting the activity for the combustion reaction of H 2 are catalysts using the same Pt or an alloy of Pt and Ru as the active metal. Need only be provided with a catalyst using Pt or an alloy of Pt and Ru as an active metal, the configuration of the CO converter 7 is simplified.
【００４０】さらに、ＣＯ変成器７におけるＰｔ触媒の
温度が５００℃以下となるように、第１開閉弁１１の開
閉度が制御され、ＣＯ変成器７へのＯ2の供給量が調節
されるので、Ｐｔ触媒のシンタリングが抑止され、ＣＯ
変成器７の耐久性が良好なものとなる。Further, the degree of opening and closing of the first on-off valve 11 is controlled so that the temperature of the Pt catalyst in the CO converter 7 becomes 500 ° C. or less, and the supply amount of O 2 to the CO converter 7 is adjusted. Therefore, sintering of the Pt catalyst is suppressed, and CO
The durability of the transformer 7 becomes good.
【００４１】そして、第２熱交換器３２において改質ガ
スとＯ2との混合気体と、温水とが熱交換することによ
り上記混合気体が加熱されることとなるので、Ｈ2の着
火温度までＯ2を予熱することが可能となり、Ｈ2の燃焼
反応を確実に起こさせることができる。The mixed gas is heated by the heat exchange between the mixed gas of the reformed gas and O 2 and the hot water in the second heat exchanger 32, so that the mixed gas is heated up to the ignition temperature of H 2. O 2 can be preheated, and the combustion reaction of H 2 can be reliably caused.
【００４２】また、この燃料電池システムと給湯システ
ムとからなる燃料電池コジェネレーション給湯システム
では、燃料電池システムの定常運転時には燃料改質器６
を出た改質ガスの排熱を第２熱交換器３２において給湯
器の温水により回収することができ、一方、燃料電池シ
ステムの立ち上げ時にはＣＯ変成器７に供給されるＯ 2
を第２熱交換器３２において給湯器の温水で予熱するこ
とができる。すなわち、１つの熱交換器により、定常運
転時における燃料改質器６から出た改質ガスの排熱回収
と、立ち上げ時における改質ガスとＯ2との混合ガスの
予熱とを行うことができる。The fuel cell system and the hot water supply system
Fuel cell cogeneration hot water supply system
Then, during the steady operation of the fuel cell system, the fuel reformer 6
Waste heat of the reformed gas exiting the furnace is supplied to the second heat exchanger 32 for hot water supply.
Can be recovered with hot water from the
O is supplied to the CO transformer 7 when the stem is started. Two
In the second heat exchanger 32 with the hot water of the water heater.
Can be. In other words, a single heat exchanger provides
Exhaust heat recovery of reformed gas discharged from the fuel reformer 6 during rotation
And the reformed gas and OTwoOf mixed gas with
Preheating can be performed.
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system.
１ 燃料電池 ２ 酸素極 ３ 水素極 ４ 空気圧縮機 ５ エアフィルター ６ 燃料改質器 ７ ＣＯ変成器 ８ 選択酸化反応器 ９ 脱硫器 １０ オフガスバーナー １１ 第１開閉弁 １２ 第２開閉弁 ２０ 空気供給管 ２１ 第１分岐管 ２２ 第２分岐管 ２３ 第３分岐管 ２４ 改質ガス供給管 ２５ 原料ガス供給管 ２７ バイパス ３１ 第１熱交換器 ３２ 第２熱交換器 ３３ 第３熱交換器 ３４ 第４熱交換器 ３５ 第５熱交換器 ５０ 水回路 ６０ 給湯用タンク ７１ ポンプ Reference Signs List 1 fuel cell 2 oxygen electrode 3 hydrogen electrode 4 air compressor 5 air filter 6 fuel reformer 7 CO transformer 8 selective oxidation reactor 9 desulfurizer 10 off-gas burner 11 first on-off valve 12 second on-off valve 20 air supply pipe DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 1st branch pipe 22 2nd branch pipe 23 3rd branch pipe 24 Reforming gas supply pipe 25 Raw material gas supply pipe 27 Bypass 31 1st heat exchanger 32 2nd heat exchanger 33 3rd heat exchanger 34 4th heat Exchanger 35 Fifth heat exchanger 50 Water circuit 60 Hot water supply tank 71 Pump
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 康令 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA02 BC11 KK42 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Yasunori Okamoto 1304 Kanaokacho, Sakai City, Osaka Prefecture Daikin Industries, Ltd. Sakai Seisakusho Kanaoka Factory F-term (reference) 5H027 AA02 BA02 BC11 KK42
Claims (11)
含む改質ガスを生成するための燃料改質器（６）と、 上記燃料改質器（６）で生成した改質ガスに含まれるＣ
Ｏから水性ガスシフト反応によってＨ2とＣＯ2とを生成
するためのＣＯ変成器（７）と、 上記燃料改質器（６）及び上記ＣＯ変成器（７）おいて
生成したＨ2を燃料として発電する燃料電池（１）と、 起動時からの所定時間、上記ＣＯ変成器（７）において
上記燃料改質器（６）で生成したＨ2の燃焼反応を起こ
させるように該ＣＯ変成器（７）にＯ2を含むガスを供
給するＯ2供給手段とを有していることを特徴とする燃
料電池システム。1. A fuel reformer (6) for generating a reformed gas containing H 2 and CO from a hydrocarbon-based raw fuel, and a reformed gas generated by the fuel reformer (6). C contained in
O CO transformer for generating H 2 and CO 2 by the water gas shift reaction and a (7), the fuel reformer (6) and the CO transformer (7) Oite generated H 2 as a fuel A fuel cell (1) for generating electricity; and a CO converter (7) for causing a combustion reaction of H 2 generated in the fuel reformer (6) in the CO converter (7) for a predetermined time from the start-up. fuel cell system, characterized in that it has a O 2 supply means for supplying a gas containing O 2 to 7).
（１）に空気を供給する空気供給管（２０）から分岐し
て上記ＣＯ変成器（７）に空気を供給する分岐管（２
２）と、該分岐管（２２）に介設され且つ起動時から所
定時間の間開く開閉弁（１１）とを備えていることを特
徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。Wherein said O 2 supply means, the fuel cell (1) to the branch pipe for supplying air to the CO transformer branched from the air supply pipe for supplying air (20) (7) (2
2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising 2) and an on-off valve (11) interposed in the branch pipe (22) and opened for a predetermined time from the start.
（７）に備えられた触媒層の温度が５００℃以下となる
ように、Ｏ2供給量を制御するＯ2供給量制御手段を備え
ていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の
燃料電池システム。Wherein said O 2 supply means, so that the temperature of the CO transformer (7) to a provided a catalyst layer is 500 ° C. or less, the O 2 supply amount control means for controlling the O 2 supply amount The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is provided.
成器（７）における触媒層の温度に応じて上記開閉弁
（１１）の開閉度を制御する手段であることを特徴とす
る請求項２に記載の燃料電池システム。4. The O 2 supply amount control means is means for controlling the degree of opening and closing of the on-off valve (11) in accordance with the temperature of the catalyst layer in the CO converter (7). Item 3. The fuel cell system according to Item 2.
性金属がＰｔ又はＰｔとＲｕとの合金であることを特徴
とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の燃料
電池システム。5. The fuel cell system according to claim 1, wherein the active metal of the catalyst in the CO converter (7) is Pt or an alloy of Pt and Ru. .
応に対して活性を呈する第１触媒及び水性ガスシフト反
応に対して活性を呈する第２触媒とを有していることを
特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の
燃料電池システム。6. The CO converter (7) has a first catalyst exhibiting activity for the H 2 combustion reaction and a second catalyst exhibiting activity for the water gas shift reaction. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein
対して活性を呈する第１触媒、下流側に水性ガスシフト
反応に対して活性を呈する第２触媒とを有していること
を特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。7. A first catalyst having an activity for H 2 upstream of the CO converter and a second catalyst having an activity for a water gas shift reaction on the downstream side. The fuel cell system according to claim 6, wherein:
に対して活性を呈する第１触媒の活性金属がＰｔ又はＰ
ｔとＲｕとの合金であることを特徴とする請求項６又は
請求項７に記載の燃料電池システム。8. The active metal of the first catalyst exhibiting activity with respect to the combustion reaction of H 2 in the CO converter (7) is Pt or Pt.
The fuel cell system according to claim 6, wherein the fuel cell system is an alloy of t and Ru.
ガスとＯ2含有ガスとの混合流体を起動時に加熱する加
熱手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求
項８のいずれか一に記載の燃料電池システム。9. A heating device for heating a mixed fluid of a reformed gas and an O 2 -containing gas supplied to the CO converter (7) at the time of start-up. 9. The fuel cell system according to any one of the above items 8.
（７）に供給される改質ガスとＯ2含有ガスとの混合流
体及び該混合流体よりも高温の熱媒体がそれぞれ別個に
流通するように形成された熱交換器（３２）を設け、該
熱交換器（３２）において該混合流体と該熱媒体とを熱
交換させる手段であることを特徴とする請求項９に記載
の燃料電池システム。10. The heating means is arranged such that a mixed fluid of a reformed gas and an O 2 -containing gas supplied to the CO converter (7) and a heat medium higher in temperature than the mixed fluid flow separately. 10. The fuel cell system according to claim 9, wherein a heat exchanger (32) formed in the heat exchanger (32) is provided, and the heat exchanger (32) is means for exchanging heat between the mixed fluid and the heat medium in the heat exchanger (32). .
と、該燃料電池システムに併設された給湯システムとを
備え、 上記熱交換器（３２）は、上記燃料改質器（６）の下流
側に位置し、且つ上記ＣＯ変成器（７）に入る前の改質
ガスが上記熱媒体とは別個に流通するように形成され、
且つ該熱媒体が上記給湯システムの温水であることを特
徴とする燃料電池コジェネレーション給湯システム。11. A fuel cell system according to claim 10, further comprising a hot water supply system provided adjacent to the fuel cell system, wherein the heat exchanger (32) is located downstream of the fuel reformer (6). And the reformed gas before entering the CO converter (7) is formed to flow separately from the heating medium,
A fuel cell cogeneration hot water supply system, wherein the heat medium is hot water of the hot water supply system.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35842999A JP2001176533A (en) | 1999-12-17 | 1999-12-17 | Fuel cell system and fuelcell cogeneration hot-water supply system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35842999A JP2001176533A (en) | 1999-12-17 | 1999-12-17 | Fuel cell system and fuelcell cogeneration hot-water supply system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001176533A true JP2001176533A (en) | 2001-06-29 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP35842999A Pending JP2001176533A (en) | 1999-12-17 | 1999-12-17 | Fuel cell system and fuelcell cogeneration hot-water supply system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001176533A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
1999
- 1999-12-17 JP JP35842999A patent/JP2001176533A/en active Pending
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