JP2003068344A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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JP2003068344A
JP2003068344A JP2001252595A JP2001252595A JP2003068344A JP 2003068344 A JP2003068344 A JP 2003068344A JP 2001252595 A JP2001252595 A JP 2001252595A JP 2001252595 A JP2001252595 A JP 2001252595A JP 2003068344 A JP2003068344 A JP 2003068344A
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combustion
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    • B01BBOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01B1/005Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which evaporates a raw material for reforming in high response to fluctuations of the load on a fuel cell. SOLUTION: The fuel cell system, equipped with a reformer 1 forming a reformed gas mainly of hydrogen from the raw material containing a liquid fuel, is equipped with plural sets (C1.V1 to Cn.Vn) of an evaporator to feed the raw material to the reformer 1 and a combustion apparatus to feed a heated gas as the heat source to the evaporator in such series that the heated gas discharged from an upstream evaporator is introduced to a downstream combustion apparatus. AT a minimum load, only the first combustion apparatus C1 and evaporator V1 are operated, and with load increased, the sets to be operated are increased. Since the combustion gas from an upstream combustion apparatus is introduced to the downstream evaporator, the evaporator of every set is always kept above the fuel evaporation temperature, thereby feeding the fuel vapor to the reformer 1 in a quick response to the fluctuations of the load.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池の改質装置
に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a reformer for a fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術と解決すべき課題】改質器を有する燃料電
池システムでは、燃料電池から排出されるアノード排ガ
ス中に含まれる水素を燃焼させ、その燃焼熱により改質
用の原料(炭化水素系燃料またはこれと水との混合燃
料。以下同様。)を気化することでエネルギ効率を高め
ることができる。
2. Description of the Related Art In a fuel cell system having a reformer, hydrogen contained in anode exhaust gas discharged from a fuel cell is burned, and the heat of combustion burns hydrogen for reforming (hydrocarbon system). Energy efficiency can be improved by vaporizing the fuel or the mixed fuel of the fuel and water (the same applies hereinafter).

【0003】原料の気化方法として、熱交換型の蒸発器
を適用した場合、例えば燃料電池のアノード排ガスを可
燃ガスとし、酸素と燃焼反応を起こさせると、燃焼エネ
ルギは燃焼器そのもの温度上昇に利用されたのち蒸発器
へ供給され、次いで蒸発器がある程度昇温してから液体
燃料の気化が開始される。すなわち、燃焼器と蒸発器を
組み合わせた気化方法では、燃焼器と蒸発器の熱容量が
起動までの遅れ時間の主な要因となる。
When a heat exchange type evaporator is applied as a method of vaporizing raw materials, for example, when the anode exhaust gas of a fuel cell is made into a combustible gas and a combustion reaction is caused with oxygen, the combustion energy is used to raise the temperature of the combustor itself. Then, the liquid fuel is supplied to the evaporator, and then the temperature of the evaporator is raised to some extent, and then vaporization of the liquid fuel is started. That is, in the vaporization method in which the combustor and the evaporator are combined, the heat capacity of the combustor and the evaporator is the main factor of the delay time until startup.

【0004】ところで、燃料電池のアノード排ガスを可
燃成分とした燃焼ガスを燃料蒸発のためのエネルギ源に
用いる場合には、供給熱量が気化熱とほぼ同等以上でな
ければならない。燃料電池というエネルギーシステムの
効率から排気熱量が多いことは望ましくない。余剰エネ
ルギが少ないということは、一定運転条件を保持した場
合には高効率運転が成立するが、例えば運転負荷が低負
荷から高負荷へ変動する場合には運転そのものが不可能
となる。運転負荷を高負荷側に変動するということは、
改質燃料の蒸発量を増やす必要性があることを意味して
いる。
By the way, when the combustion gas containing the anode exhaust gas of the fuel cell as a combustible component is used as an energy source for fuel evaporation, the supplied heat amount must be substantially equal to or higher than the heat of vaporization. Due to the efficiency of the fuel cell energy system, a large amount of exhaust heat is not desirable. The fact that the surplus energy is small means that high-efficiency operation is established when a constant operating condition is maintained, but the operation itself becomes impossible, for example, when the operating load changes from low load to high load. Changing the operating load to the high load side means
This means that it is necessary to increase the evaporation amount of the reformed fuel.

【0005】しかしながら、気化熱に利用できる熱量に
は制限があり、この問題に対しては、外部からエネルギ
を加えるか、前述の余剰エネルギを効率的に利用する必
要がある。アノード排ガスを燃焼させる機構において、
前記の外部からエネルギ供給を行う手法では、これはす
なわち改質燃料を蒸発させるために別経路からエネルギ
供給を行う機構を装備するということであり、装置の複
雑化を招き、エネルギ効率的にも好ましくない。また余
剰エネルギを利用する手法では、一般に設備の熱容量か
ら負荷変動要求に対する遅れ時間が大きくなってしまう
という問題が生じる。
However, there is a limit to the amount of heat that can be used for the heat of vaporization, and it is necessary to add energy from the outside or efficiently use the above-mentioned surplus energy to solve this problem. In the mechanism that burns the anode exhaust gas,
In the above method of supplying energy from the outside, this means that a mechanism for supplying energy from another path in order to vaporize the reformed fuel is provided, which leads to complication of the device and also in terms of energy efficiency. Not preferable. In addition, the method of using surplus energy generally causes a problem that the delay time from the heat capacity of the equipment to the load change request increases.

【0006】これに対して、特開2000-100462号公報に
は、小型化した燃焼バーナと蒸発器を組み合わせた気化
装置を並列に複数組み合わせる構造が開示されている。
この場合、低負荷で運転する場合には、作動させる燃焼
バーナーを1個ないしは少数にしぼること、および個々
の燃焼器や蒸発器を小型化している効果で、前述した熱
容量に伴う遅れ時間を改善できるとしている。しかしな
がら、低負荷から高負荷へ移行する場合には、液体の蒸
発温度よりずっと低い温度にある蒸発器を加熱する必要
があるため、蒸発器が小型であるからといっても必ずし
も燃料の気化応答性は速くならない。また、蒸発器へ供
給される燃焼ガスは、蒸発器内での温度分布を少なくす
るため、触媒燃焼により得られた燃焼ガスを用いること
が望ましいが、燃焼触媒には燃焼可能となる温度(Light
Off Temperature)が設定されており、燃料が供給され
てもこの温度以下では燃焼しない。
On the other hand, Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-100462 discloses a structure in which a plurality of vaporizers each having a compact combustion burner and an evaporator are combined in parallel.
In this case, when operating at low load, the delay time associated with the heat capacity mentioned above is improved by the effect of narrowing down the number of combustion burners to be operated to one or a few, and downsizing each combustor and evaporator. I am going to do it. However, when the load changes from low load to high load, it is necessary to heat the evaporator at a temperature much lower than the evaporation temperature of the liquid. Sex does not get faster. In addition, the combustion gas supplied to the evaporator is preferably the combustion gas obtained by catalytic combustion in order to reduce the temperature distribution in the evaporator, but the combustion catalyst has a temperature (Light
Off Temperature) is set, and even if fuel is supplied, it will not burn below this temperature.

【0007】また、特開2000-203801号公報には、プレ
ートフィン型熱交換器において、加熱ガスが流れる流路
の表面に燃焼触媒を担持させた装置が提案されている。
この装置では可燃ガスと酸素が蒸発器を通過する際に、
蒸発器に担持してある触媒表面で燃焼し、生じた熱エネ
ルギはプレートフインを介して改質燃料の気化に利用さ
れる。この場合、燃焼器と蒸発器を一体とすることで全
体の熱容量を減少させ、遅れ時間を短縮している。しか
しながら、このように燃焼バーナの代わりに触媒燃焼器
を適応したとしても、低負荷のとき作動しない燃焼器は
低温となるため、高負荷へ変化した場合もそれまで停止
していた触媒燃焼器は作動しない。よって、負荷変動時
の遅れ時間を短縮する効果は不十分である。また、熱交
換器のプレートフインには本来熱伝導度のよい金属を用
いるが、プレートフインに触媒を担持させる場合にはセ
ラミックスを担体として使用することになるため、それ
だけ熱交換性能を低下させることとなる。一方、触媒燃
焼は主には触媒表面で起こる化学反応であり、その時に
生じる熱量は触媒ではなく気体に与えられると考えてよ
い。これらのことから考えると、蒸発器へ触媒を担持さ
せた構造は、燃焼エネルギを蒸発器で効率的に利用する
ことは困難である。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-203801 proposes a plate fin type heat exchanger in which a combustion catalyst is carried on the surface of a flow path through which a heating gas flows.
In this device, when combustible gas and oxygen pass through the evaporator,
The heat energy generated by combustion on the surface of the catalyst carried by the evaporator is utilized for vaporizing the reformed fuel via the plate fins. In this case, the heat capacity of the whole is reduced by integrating the combustor and the evaporator, and the delay time is shortened. However, even if a catalytic combustor is applied instead of the combustion burner in this way, the combustor that does not operate at low load will be at low temperature, so even if the load changes to high load, the catalytic combustor that has been stopped until then will not Does not work. Therefore, the effect of shortening the delay time when the load changes is insufficient. Although the plate fin of the heat exchanger originally uses a metal having good thermal conductivity, when the catalyst is carried on the plate fin, ceramics is used as a carrier, so the heat exchange performance should be reduced accordingly. Becomes On the other hand, catalytic combustion is a chemical reaction mainly occurring on the catalyst surface, and it can be considered that the amount of heat generated at that time is given to the gas, not the catalyst. Considering these facts, it is difficult for the structure in which the catalyst is supported on the evaporator to efficiently use the combustion energy in the evaporator.

【0008】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、燃料電池の負荷変動に対し、応答
性よく改質用の原料を蒸発させることが可能な燃料電池
システムを提供することを目的としている。
The present invention has been made by paying attention to such a conventional problem, and provides a fuel cell system capable of evaporating a reforming raw material with good responsiveness to a load variation of the fuel cell. It is intended to be provided.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】第1の発明は、液体燃料
を含む原料から水素を主成分とする改質ガスを生成する
改質器を備えた燃料電池システムにおいて、前記改質器
に供給する原料を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器に熱
源となる加熱ガスを供給する燃焼器とを複数組設け、か
つ前記複数の蒸発器および燃焼器を、蒸発器からの排出
加熱ガスが下流側の燃焼器に導入されるように直列に接
続した。
A first aspect of the present invention is a fuel cell system including a reformer for producing a reformed gas containing hydrogen as a main component from a raw material containing a liquid fuel, and supplying the reformer with the reformed gas. A plurality of pairs of an evaporator for evaporating the raw material and a combustor for supplying a heating gas serving as a heat source to the evaporator, and the heating gas exhausted from the evaporator is provided on the downstream side of the plurality of evaporators and combustors. Connected in series so as to be introduced into the combustor.

【0010】第2の発明は、前記第1の発明において、
複数の蒸発器に原料を供給する原料供給装置を、燃料電
池の負荷に応じた個数の蒸発器に選択的に原料を供給す
るように構成した。
A second invention is the same as the first invention,
The raw material supply device that supplies the raw material to the plurality of evaporators is configured to selectively supply the raw material to the number of evaporators according to the load of the fuel cell.

【0011】第3の発明は、前記第1の発明において、
その燃焼器を、燃焼触媒を用いた触媒燃焼器で構成し
た。
A third invention is the same as the first invention,
The combustor was composed of a catalytic combustor using a combustion catalyst.

【0012】第4の発明は、前記各発明における燃焼器
には、可燃性成分として燃料電池アノード排ガス中に含
まれる炭化水素成分および/または酸化助剤として燃料
電池カソード排ガス中に含まれる酸素を供給するように
した。
According to a fourth aspect of the present invention, the combustor according to each of the above-described aspects contains a hydrocarbon component contained in the fuel cell anode exhaust gas as a combustible component and / or an oxygen contained in the fuel cell cathode exhaust gas as an oxidation aid. I was supposed to supply it.

【0013】第5の発明は、前記第4の発明における複
数の燃焼器は、その総燃焼能力を、燃料電池アノード排
気ガスの可燃性成分を略全量燃焼させることが可能なよ
うに設定した。
In a fifth aspect of the invention, the plurality of combustors in the fourth aspect of the invention are set so that the total combustion capacity thereof is capable of burning substantially all combustible components of the fuel cell anode exhaust gas.

【0014】第6の発明は、前記第1の発明または第3
の発明から第5の発明において、複数の燃焼器を、下流
側に位置するものほど燃焼効率を高く設定した。
A sixth invention is the first invention or the third invention.
In the invention to the fifth invention, the combustion efficiency is set higher as the plurality of combustors are located on the downstream side.

【0015】第7の発明は、前記第6の発明において、
複数の燃焼器を、それぞれの燃焼能力の総和を1とした
ときに、上流側から1段目が0.1〜0.3、2段目が
0.2〜0.4、3段目が0.3〜0.7の範囲でそれ
ぞれの燃焼能力が設定される3個の燃焼器から構成し
た。
A seventh invention is based on the sixth invention.
When the sum of the combustion capacities of a plurality of combustors is 1, the first stage from the upstream side is 0.1 to 0.3, the second stage is 0.2 to 0.4, and the third stage is It was composed of three combustors whose respective combustion capacities were set in the range of 0.3 to 0.7.

【0016】第8の発明は、前記第4から第7の発明に
おいて、燃焼器へ供給される燃料電池アノード排気ガス
流量を測定し、燃焼器へ供給する酸素量を制御するよう
にした。
In an eighth aspect based on the fourth to seventh aspects, the flow rate of the fuel cell anode exhaust gas supplied to the combustor is measured, and the amount of oxygen supplied to the combustor is controlled.

【0017】第9の発明は、前記各発明において、原料
中の燃料成分として、アルコール類またはガソリン等の
低級炭化水素を含むものとした。
In the ninth invention, in each of the above inventions, the fuel component in the raw material contains alcohols or lower hydrocarbons such as gasoline.

【0018】[0018]

【作用・効果】第1の発明以下の各発明によれば、燃焼
器と蒸発器を直列に複数段で組み合わせたことにより、
例えば燃料電池が極低負荷で運転した場合には、直列に
配した燃焼器の1段目のみが作動する。このとき燃焼器
に隣接して蒸発器を配することにより燃焼器で得た熱量
を効率よく蒸発器へ与えることができる。この場合、1
段目に位置する燃焼器の熱量は、2段目以降の燃焼器と
蒸発器を昇温するための熱量を与える必要が無く、言い
換えれば、この構成によれば、燃焼器と蒸発器の必要温
度まで昇温する熱容量を最小限にすることが可能とな
る。
According to each of the following inventions, by combining the combustor and the evaporator in multiple stages in series,
For example, when the fuel cell operates at an extremely low load, only the first stage of the combustors arranged in series operates. At this time, by disposing the evaporator adjacent to the combustor, the amount of heat obtained by the combustor can be efficiently given to the evaporator. In this case, 1
The heat quantity of the combustor located in the second stage does not need to give the heat quantity for raising the temperature of the combustor and the evaporator of the second and subsequent stages. In other words, according to this configuration, the combustor and the evaporator are required. It is possible to minimize the heat capacity of raising the temperature.

【0019】第2の発明では、直列に組み合わせた燃焼
器および蒸発器のうちの任意の個数を作動させることで
より効率を高めることができる。すなわち、運転負荷が
低い場合には上流側に位置する1段目の燃焼器および蒸
発器のみを作動させ、ある程度以上に負荷が増大したと
きには、1段目の燃焼器で燃焼しきれなかった可燃ガス
が2段目以降の燃焼器へ供給されるので、2段目以降に
原料を供給することで所要量の改質ガスを生成すること
が可能となる。3段以上の燃焼器および蒸発器を有する
場合も同様であり、このようにして運転負荷に対応した
量の改質ガスを的確に供給することができる。
In the second aspect of the invention, the efficiency can be further improved by operating any number of the combustor and the evaporator combined in series. That is, when the operating load is low, only the first-stage combustor and evaporator located on the upstream side are operated, and when the load increases above a certain level, the combustibles that cannot be completely burned in the first-stage combustor are burned. Since the gas is supplied to the combustor in the second and subsequent stages, it is possible to generate the required amount of reformed gas by supplying the raw material in the second and subsequent stages. The same applies to the case where there are three or more stages of combustors and evaporators, and thus the amount of reformed gas corresponding to the operating load can be accurately supplied.

【0020】前記燃焼器としては、第3の発明として示
したように、触媒燃焼器を適用することが可能である。
仮に特開2000-100462に開示されているように燃焼器と
蒸発器を並列に組み合わせた構成を採用した場合、低負
荷のときには作動していない燃焼器が低温になるため、
触媒の活性化温度にまで上がらず、すぐには燃焼を開始
できず応答性が悪い。これに対して、本発明では燃焼器
と蒸発器を直列に組み合わせたことで、上流の燃焼器か
ら排出される燃焼ガス温度は、蒸発させる液体の気化温
度相当となる。一般に、改質燃料の気化温度は60℃〜
120℃程度であり、本発明の構成では、作動していな
い燃焼器や蒸発器は低負荷状態でもこの温度で暖機され
ており、しかも前述の60℃〜120℃の温度は通常の
燃焼触媒の活性化温度以上であるため、低負荷から高負
荷へ負荷変動した場合にも優れた応答性を発揮すること
が可能となる。
As the combustor, a catalytic combustor can be applied as shown in the third invention.
If a configuration in which a combustor and an evaporator are combined in parallel is adopted as disclosed in JP 2000-100462 A, the combustor that is not operating at low load has a low temperature.
The catalyst activation temperature is not raised, combustion cannot be started immediately, and responsiveness is poor. On the other hand, in the present invention, by combining the combustor and the evaporator in series, the temperature of the combustion gas discharged from the upstream combustor corresponds to the vaporization temperature of the liquid to be evaporated. Generally, the vaporization temperature of the reformed fuel is 60 ° C to
In the configuration of the present invention, the inactive combustor and evaporator are warmed up at this temperature even under a low load condition, and the above-mentioned temperature of 60 to 120 ° C. is a normal combustion catalyst. Since the temperature is equal to or higher than the activation temperature of 1, the excellent responsiveness can be exhibited even when the load changes from a low load to a high load.

【0021】第4の発明によれば、前記燃焼器で燃焼す
る可燃成分を燃料電池本体から排出されるアノード排気
ガス中から得るものとしている。アノード排ガス中に含
まれる残留水素成分が燃焼して、蒸発に必要な熱量を供
給することによって、燃料電池全体のエネルギー効率を
向上させることが可能となる。
According to the fourth aspect of the invention, the combustible components burned in the combustor are obtained from the anode exhaust gas discharged from the fuel cell body. By burning the residual hydrogen component contained in the anode exhaust gas and supplying the amount of heat required for evaporation, the energy efficiency of the entire fuel cell can be improved.

【0022】第5の発明によれば、直列に多段化した燃
焼器の燃焼効率の和が、燃料電池を定格運転した場合に
排出されるアノード排ガス中に含まれる可燃ガス成分を
ほぼ全量燃焼させることを可能とする。これは、燃料電
池の特性に応じて予め燃焼器の能力を定めておく。排気
ガス中の可燃成分は主には水素、その他微量ではある
が、一酸化炭素や炭化水素も含まれる。本発明によりこ
れらの有害ガスの排出を低減することができる。
According to the fifth aspect of the invention, the sum of the combustion efficiencies of the multiple-stage combustor in series burns almost all the combustible gas components contained in the anode exhaust gas discharged when the fuel cell is in rated operation. It is possible. For this, the capacity of the combustor is determined in advance according to the characteristics of the fuel cell. The combustible components in the exhaust gas are mainly hydrogen and other trace amounts, but also carbon monoxide and hydrocarbons. The present invention can reduce the emission of these harmful gases.

【0023】燃焼温度と燃焼により生じる発熱量は可燃
ガス組成と流量、酸化助剤(通常は酸素)の濃度と流量、
不燃性ガスの濃度と流量によって決まる。燃料電池のア
ノード排気ガスを燃焼させる場合、分析器などで調査す
ることで各ガス成分の組成や濃度を把握することは容易
に可能である。燃焼器で発生する熱量と温度を把握する
ことができれば、各蒸発器で必要な熱量を各燃焼器から
供給させることが可能となる。この特徴は請求項6記載
の発明に関する。
The combustion temperature and the calorific value generated by combustion are the combustible gas composition and flow rate, the concentration and flow rate of the oxidation aid (usually oxygen),
It depends on the concentration and flow rate of the noncombustible gas. When burning the anode exhaust gas of the fuel cell, it is possible to easily grasp the composition and concentration of each gas component by investigating with an analyzer or the like. If the amount of heat and the temperature generated in the combustor can be grasped, it is possible to supply the required amount of heat in each evaporator from each combustor. This feature relates to the invention of claim 6.

【0024】燃料電池の定格(最大出力)値が極めて大
きい場合はその限りでないが、車両用として現実的、一
般的には、燃焼器と蒸発器の組合せは3段程度とするの
が、装置の大きさおよびコストの観点から好ましく、こ
れに加えて、第7の発明として示したように各燃焼器の
燃焼能力を配分することで、低負荷から高負荷まで効率
よく燃焼を行わせることが可能となる。ここで、燃焼器
の総数をN、N個の燃焼器の総燃焼能力をR、X番目(た
だし、1≦X≦N)の燃焼器の燃焼能力をRxとすると
き、Rxは次式で表される。なお、Rは前述のように燃
料電池から排出される定格運転時の排ガスをほぼ全量燃
焼させられる燃焼能力を設定する。
This is not the case unless the rated (maximum output) value of the fuel cell is extremely large, but it is practical for a vehicle, and generally, the combination of the combustor and the evaporator is about three stages. From the viewpoint of size and cost, and in addition to this, by distributing the combustion ability of each combustor as shown as the seventh invention, it is possible to efficiently perform combustion from low load to high load. It will be possible. Here, when the total number of combustors is N, the total combustion capacity of N combustors is R, and the combustion capacity of the Xth combustor (where 1 ≦ X ≦ N) is Rx, Rx is given by the following equation. expressed. It should be noted that R sets the combustion capacity capable of burning almost all exhaust gas discharged from the fuel cell during the rated operation as described above.

【0025】 Rx = R(X! − (X−1)!)/N! … (1) 燃料電池の能力によっては排気ガスを燃焼させても燃料
の気化温度に達しない場合や、逆に燃焼ガス温度が高温
になり、燃焼器の耐熱温度を超えてしまうことも予想さ
れる。これに対して第8の発明によれば、燃料電池のア
ノード排ガス流量を測定し、アノード排ガス中の可燃ガ
スを燃焼させ、その時の燃焼温度を制御することで前記
の問題を解消することが可能である。具体的には、酸化
助剤が不足した場合、または燃焼温度が高温になりすぎ
る場合には、外部からポンプにより空気を導入する。一
方、酸化助剤が多い場合、または燃焼温度が低い場合に
は、リリーフバルブ等によりカソード排ガスを逃がす制
御をする。
Rx = R (X!-(X-1)!) / N! (1) Depending on the capacity of the fuel cell, it is expected that even if the exhaust gas is combusted, the vaporization temperature of the fuel will not be reached, or conversely, the temperature of the combustion gas will become high and exceed the heat resistant temperature of the combustor. It On the other hand, according to the eighth aspect of the invention, the above problem can be solved by measuring the anode exhaust gas flow rate of the fuel cell, burning the combustible gas in the anode exhaust gas, and controlling the combustion temperature at that time. Is. Specifically, when the oxidation aid is insufficient, or when the combustion temperature becomes too high, air is introduced from the outside by a pump. On the other hand, when the amount of the oxidation aid is large or the combustion temperature is low, the relief valve or the like is used to control the cathode exhaust gas to escape.

【0026】第9の発明として示したように、原料とし
てはメタノール等のアルコール類、ガソリン等の低級炭
化水素またはこれらと水との混合物を適用することがで
きる。
As shown in the ninth invention, alcohols such as methanol, lower hydrocarbons such as gasoline, or a mixture of these with water can be applied as the raw material.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図1に本発明を適用した燃料電池シ
ステムの概略構成を示す。図において1は改質器であ
り、空気供給通路10からの空気および燃料蒸気通路5
からの原料蒸気の供給を受けて水素を主成分とする改質
ガスを生成する。2は前記改質ガス中の一酸化炭素を除
去するCO除去器、3は前記CO除去器2から改質ガス
通路6を介して送られてくる改質ガスと空気供給通路1
1からの空気との供給を受けて発電を行う燃料電池スタ
ックである。前記改質ガスは燃料電池スタック3のアノ
ード極に供給され、空気はカソード極に供給され、それ
ぞれの余剰ガスはアノード排ガス通路7、カソード排ガ
ス通路8を介して多段構成の燃焼器および蒸発器に供給
される。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied. In the figure, 1 is a reformer, which is an air and fuel vapor passage 5 from the air supply passage 10.
The reformed gas containing hydrogen as a main component is generated by receiving the supply of the raw material vapor from. Reference numeral 2 is a CO remover for removing carbon monoxide in the reformed gas, and 3 is a reformed gas and air supply passage 1 sent from the CO remover 2 through a reformed gas passage 6.
1 is a fuel cell stack that receives the supply of air from 1 to generate power. The reformed gas is supplied to the anode electrode of the fuel cell stack 3, the air is supplied to the cathode electrode, and the surplus gas of each is passed through the anode exhaust gas passage 7 and the cathode exhaust gas passage 8 to the multistage combustor and evaporator. Supplied.

【0028】図中の符号CとVはそれぞれ前記の燃焼器
と蒸発器であり、添え字1〜nはその段数を示してい
る。燃焼器C1〜Cnは触媒燃焼器、蒸発器V1〜Vn
は熱交換型蒸発器である。図示したように1段目の燃焼
器C1と蒸発器V1の組み合わせの下流側に2段目の燃
焼器C2と蒸発器V2の組み合わせが直列に接続されて
おり、さらにその下流側に次段以降のn段目までの燃焼
器Cnと蒸発器Vnが直列接続されている。最上流に位
置する1段目の燃焼器C1には前記燃料電池スタック3
からのアノード排ガス通路7とカソード排ガス通路8と
が接続し、それぞれの排ガス中に含まれる未反応の水素
と酸素とを燃焼させて蒸発器V1〜Vnを加熱する。各
蒸発器V1〜Vnはそれぞれ原料通路4に接続した燃料
コックFC1〜FCnを介して図示しない燃料タンクか
らの液状の原料の供給を受け、前記燃焼ガスの加熱によ
り蒸発器V1〜Vnにて蒸発した原料は、前述したよう
に燃料蒸気通路5を介して改質器1に供給される。各蒸
発器での熱交換を終えた排ガスは最終段の蒸発器Vnか
ら排ガス通路9を介して外部へと排出される。
Reference symbols C and V in the drawing respectively denote the above-mentioned combustor and evaporator, and subscripts 1 to n indicate the number of stages thereof. Combustors C1 to Cn are catalytic combustors, evaporators V1 to Vn
Is a heat exchange type evaporator. As shown in the figure, the combination of the second-stage combustor C2 and the evaporator V2 is connected in series downstream of the combination of the first-stage combustor C1 and the evaporator V1. The combustor Cn up to the n-th stage and the evaporator Vn are connected in series. The fuel cell stack 3 is provided in the first stage combustor C1 located at the most upstream side.
The anode exhaust gas passage 7 and the cathode exhaust gas passage 8 are connected to each other to burn unreacted hydrogen and oxygen contained in each exhaust gas to heat the evaporators V1 to Vn. Each of the evaporators V1 to Vn receives supply of a liquid material from a fuel tank (not shown) via fuel cocks FC1 to FCn connected to the material passage 4, and the combustion gas is heated to evaporate in the evaporators V1 to Vn. The obtained raw material is supplied to the reformer 1 via the fuel vapor passage 5 as described above. The exhaust gas that has completed the heat exchange in each evaporator is discharged from the final-stage evaporator Vn through the exhaust gas passage 9 to the outside.

【0029】前記各コックFC1〜FCnは、図示しな
い制御装置により、負荷状態に応じて表1に例示したよ
うに制御される。表中の負荷1から負荷3さらに定格負
荷へと負荷が増大する。各負荷欄の左欄は燃焼器C1〜
Cnの燃焼状態を、右欄は燃料コックFC1〜FCnの
開閉状態をそれぞれ示している。
The respective cocks FC1 to FCn are controlled by a control device (not shown) as shown in Table 1 according to the load state. The load increases from load 1 to load 3 to the rated load in the table. The left column of each load column is the combustor C1-
The combustion state of Cn and the right column show the open / close states of the fuel cocks FC1 to FCn, respectively.

【0030】[0030]

【表1】 ところで、低負荷の場合に蒸発させることのできる燃料
は、燃料電池スタック3から供給される可燃性排ガスの
量できまり、原料を蒸発器へ過剰に供給してもその全量
を気化することはできない。よって、運転負荷が高まる
にともなって、蒸発器V1〜Vnへの燃料供給量、すな
わち作動させる蒸発器の数を増やしていく必要がある。
この時に問題となるのは、負荷が増加したときにそれま
でに作動していなかった燃焼器が、可燃ガスが供給され
てから燃焼を始めるまでの遅れ時間である。この点、本
発明によれば、1段目の燃焼器C1だけが作動している
場合であっても、蒸発器V1から排出されるガス温度は
燃料の気化温度以上であり、この温度は後段の燃焼器C
2〜Cnまで触媒を暖機するために十分な温度であり、
したがって負荷が高まって可燃ガスと酸化助剤である酸
素が燃焼器に到達されると遅れなく作動を開始させるこ
とが可能である。
[Table 1] By the way, the amount of combustible exhaust gas supplied from the fuel cell stack 3 depends on the amount of fuel that can be evaporated under a low load, and even if the raw material is excessively supplied to the evaporator, the total amount cannot be vaporized. . Therefore, as the operating load increases, it is necessary to increase the fuel supply amount to the evaporators V1 to Vn, that is, the number of operated evaporators.
A problem at this time is a delay time from when the combustor, which has not been operated until then when the load is increased, is supplied with the combustible gas until the combustion is started. In this respect, according to the present invention, even when only the first-stage combustor C1 is operating, the temperature of the gas discharged from the evaporator V1 is equal to or higher than the vaporization temperature of the fuel, and this temperature is the latter stage. Combustor C
A temperature sufficient to warm up the catalyst from 2 to Cn,
Therefore, when the load increases and the combustible gas and the oxygen that is the oxidation aid reach the combustor, it is possible to start the operation without delay.

【0031】なお、図示しないが、各燃焼器C1〜Cn
の何れかまたは全部には、必要に応じて燃焼用の空気お
よび燃料を追加供給する燃料・空気供給装置を設けた構
成としてもよい。
Although not shown, each combustor C1 to Cn
Any or all of the above may be provided with a fuel / air supply device for additionally supplying combustion air and fuel, if necessary.

【0032】図2に本発明の第2の実施形態を示す。こ
の実施形態では、前記燃焼器および蒸発器を3段階に設
けて制御を容易にするとともにコストを低減している。
また、1段目の燃焼器C1は低負荷時に燃焼熱量を迅速
に1段目の蒸発器V1へ供給するために、燃焼器自体の
熱容量を小さくしてある。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the combustor and the evaporator are provided in three stages to facilitate control and reduce costs.
Further, in the first stage combustor C1, the heat capacity of the combustor itself is made small in order to quickly supply the combustion heat quantity to the first stage evaporator V1 when the load is low.

【0033】定格負荷の場合、燃焼温度はC1,C2,
C3の順になるが、1段目の燃焼器C1で可燃ガスを燃
焼する能力が大きい時には、さらにこの温度差が大きく
なる。2段目の燃焼器C2と3段目の燃焼器C3の関係
も同様であり、したがって燃焼能力としてはC1,C
2,C3の順に大きくしたほうが好ましい。例えば、燃
焼器C1,C2,C3の燃焼能力の比を20%,30
%,50%とすることにより、上流部ほど異常な高温の
状態になるおそれが軽減され、かつ燃焼特性と蒸発特性
を両立することが可能である。
At rated load, the combustion temperatures are C1, C2
The order is C3, but when the ability to burn combustible gas in the first stage combustor C1 is large, this temperature difference becomes even larger. The same applies to the relationship between the second-stage combustor C2 and the third-stage combustor C3.
It is preferable to increase in the order of 2 and C3. For example, if the combustion capacity ratio of the combustors C1, C2, C3 is 20%, 30
%, It is possible to reduce the possibility of becoming an abnormally high temperature in the upstream portion, and to achieve both combustion characteristics and evaporation characteristics.

【0034】図3に本発明の第3の実施形態を示す。こ
れは、第1の実施形態を基本構成として、さらに燃料電
池スタック3のアノード排ガス流量を検出する流量セン
サ12を設けるとともに、カソード排ガス流量を制御す
るポンプ13およびリリーフバルブ15を設け、アノー
ド排ガス流量から想定される燃焼温度に合うようにカソ
ード排ガス流量を制御し、燃焼器C1〜Cnの温度を最
適制御可能としたものである。14は燃焼用空気を補給
するための空気供給通路である。
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. This is based on the first embodiment and is further provided with a flow rate sensor 12 for detecting the anode exhaust gas flow rate of the fuel cell stack 3, a pump 13 and a relief valve 15 for controlling the cathode exhaust gas flow rate, and the anode exhaust gas flow rate. The flow rate of the cathode exhaust gas is controlled so as to match the combustion temperature assumed from the above, and the temperatures of the combustors C1 to Cn can be optimally controlled. Reference numeral 14 is an air supply passage for supplying combustion air.

【0035】なお、各実施形態において共通する部分に
は互いに同一の符号を付して示し、重複する説明は省略
した。
The same parts in each embodiment are designated by the same reference numerals, and the duplicated description is omitted.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による燃料電池システムの第1の実施形
態の概略構成図。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.

【図2】本発明による燃料電池システムの第2の実施形
態の概略構成図。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of a fuel cell system according to the present invention.

【図3】本発明による燃料電池システムの第3の実施形
態の概略構成図。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a third embodiment of a fuel cell system according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 改質器 2 CO除去器 3 燃料電池スタック 4 原料供給通路 5 蒸発燃料通路 6 改質ガス通 7 アノード排ガス通路 8 カソード排ガス通路 9 排ガス通路 10 空気供給通路 11 空気供給通路 C1〜Cn 燃焼器 V1〜Vn 蒸発器 FC1〜FCn 燃料コック 1 reformer 2 CO remover 3 Fuel cell stack 4 Raw material supply passage 5 Evaporative fuel passage 6 reformed gas communication 7 Anode exhaust gas passage 8 Cathode exhaust gas passage 9 exhaust gas passage 10 Air supply passage 11 Air supply passage C1-Cn combustor V1-Vn evaporator FC1-FCn Fuel cock

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/04 H01M 8/04 P ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 8/04 H01M 8/04 P

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】液体燃料を含む原料から水素を主成分とす
る改質ガスを生成する改質器を備えた燃料電池システム
において、前記改質器に供給する原料を蒸発させる蒸発
器と、この蒸発器に熱源となる加熱ガスを供給する燃焼
器とを複数組設け、かつ前記複数の蒸発器および燃焼器
は、蒸発器からの排出加熱ガスが下流側の燃焼器に導入
されるように直列に接続したことを特徴とする燃料電池
システム。
1. A fuel cell system including a reformer for producing a reformed gas containing hydrogen as a main component from a raw material containing a liquid fuel, and an evaporator for evaporating the raw material supplied to the reformer, A plurality of sets of combustors for supplying heating gas as a heat source to the evaporator are provided, and the plurality of evaporators and combustors are connected in series so that the exhaust heating gas from the evaporator is introduced to the downstream side combustor. A fuel cell system characterized by being connected to.
【請求項2】前記複数の蒸発器に原料を供給する原料供
給装置を、燃料電池の負荷に応じた個数の蒸発器に選択
的に原料を供給するように構成した請求項1に記載の燃
料電池システム。
2. The fuel according to claim 1, wherein the raw material supply device for supplying the raw material to the plurality of evaporators is configured to selectively supply the raw material to the number of evaporators according to the load of the fuel cell. Battery system.
【請求項3】前記燃焼器は、燃焼触媒を用いた触媒燃焼
器である請求項1記載の燃料電池システム。
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the combustor is a catalytic combustor using a combustion catalyst.
【請求項4】前記燃焼器には、可燃性成分として燃料電
池アノード排ガス中に含まれる炭化水素成分および/ま
たは酸化助剤として燃料電池カソード排ガス中に含まれ
る酸素を供給する請求項1から請求項3の何れかに記載
の燃料電池システム。
4. The hydrocarbon component contained in the fuel cell anode exhaust gas as a combustible component and / or the oxygen contained in the fuel cell cathode exhaust gas as an oxidation aid is supplied to the combustor. Item 5. The fuel cell system according to any one of Items 3.
【請求項5】前記複数の燃焼器は、その総燃焼能力を、
燃料電池アノード排気ガスの可燃性成分を略全量燃焼さ
せることが可能なように設定した請求項4に記載の燃料
電池システム。
5. The plurality of combustors, the total combustion capacity,
The fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel cell anode exhaust gas is set so that substantially all of the combustible components of the exhaust gas can be burned.
【請求項6】前記複数の燃焼器は、下流側に位置するも
のほど燃焼効率を高く設定した請求項1または請求項3
から請求項5の何れかに記載の燃料電池システム。
6. The combustion efficiency is set to be higher as the plurality of combustors are located on the downstream side.
7. The fuel cell system according to claim 5.
【請求項7】前記複数の燃焼器は、それぞれの燃焼能力
の総和を1としたときに、上流側から1段目が0.1〜
0.3、2段目が0.2〜0.4、3段目が0.3〜
0.7の範囲でそれぞれの燃焼能力が設定される3個の
燃焼器からなる請求項6に記載の燃料電池システム。
7. The first stage from the upstream side of the plurality of combustors is 0.1 to 0.1 when the total sum of the combustion capacities is 1.
0.3, 2nd stage is 0.2-0.4, 3rd stage is 0.3-
7. The fuel cell system according to claim 6, comprising three combustors each having a combustion capacity set within a range of 0.7.
【請求項8】前記燃焼器へ供給される燃料電池アノード
排気ガス流量を測定し、燃焼器へ供給する酸素量を制御
するようにした請求項4から請求項7の何れかに記載の
燃料電池システム。
8. The fuel cell according to claim 4, wherein the fuel cell anode exhaust gas flow rate supplied to the combustor is measured to control the oxygen amount supplied to the combustor. system.
【請求項9】前記原料中の燃料成分として、アルコール
類またはガソリン等の低級炭化水素を含む請求項1から
請求項8に記載の燃料電池システム。
9. The fuel cell system according to claim 1, wherein alcohol or low hydrocarbon such as gasoline is contained as a fuel component in the raw material.
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