JP2004362952A

JP2004362952A - Fuel cell power generation system

Info

Publication number: JP2004362952A
Application number: JP2003160442A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Mizukami; 貴彰水上; Hidekazu Fujimura; 秀和藤村; Tsutomu Okuzawa; 奥澤　　務; Shoji Ito; 昌治伊藤; Shin Takahashi; 高橋　　心
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-12-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the excessive consumption of hydrogen in a CO eliminator. <P>SOLUTION: The fuel cell power generation system comprises a reformer 1 generating reaction gas containing hydrogen by reforming carbon-based fuel 13; a CO converter 2 converting CO in the reaction gas exhausted from the reformer 1 into H<SB>2</SB>; an intermediate density CO eliminator 3 reducing the concentration of CO by making the reaction gas exhausted from the CO converter 2 react with oxygen-containing gas; a fuel cell 5 for generating power by making the reaction gas exhausted from the CO eliminator 3 react with oxygen-containing gas; and a low-concentration CO eliminator 4 arranged in the middle of the CO eliminator 3 and the fuel cell 5, reducing the density of the low-concentration CO down to a density not harmful for the fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素系燃料と水蒸気により生成した水素を用いて発電する燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体高分子膜の電気化学的特性が向上したことにより、オンサイト型分散電源としての家庭用固体高分子形燃料電池発電システムの実現が期待されるようになってきた。この家庭用燃料電池発電システムの商用化時には従来の発電システムよりも高い効率が期待されており、高効率化のためにさまざまな提案がされている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池発電システムの一例として、Ｈ_２とＯ_２を電極上で反応させて、発電を行うシステムが良く知られている。燃料ガスのＨ_２は、炭化水素系燃料を改質器で改質させることにより得られる。この改質器から供給される改質ガスには、水素の他にＣＯ_２、ＣＯ、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏなどが含まれる。この改質ガスに含まれるＣＯは、固体高分子形燃料電池の性能低下の要因になるため、ＣＯをＨ_２に変換するＣＯ変性器と改質ガスに空気を添加してＣＯを燃焼させＣＯ_２にするＣＯ除去器を設けている。ＣＯ除去器から排出される改質ガスは加湿器で加湿し、燃料電池へ供給する。この改質ガスと空気により、固体高分子形燃料電池で発電を行う。
【０００４】
燃料電池発電システムにおける水素含有ガスから接触法によりＣＯを除去する技術が特開２００２−１２１００８号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１２１００８号公報（要約）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような従来技術では改質ガスに空気を導入した際にＣＯと共に燃料電池の燃料となるＨ_２の一部も燃焼させてしまい、燃焼したＨ_２は発電に寄与させることはできないという問題があった。
【０００７】
例えば、ＣＯ変性器出口の改質ガス中に含まれる１０００〜８０００ｐｐｍのＣＯを１０ｐｐｍ程度に除去するために、ＣＯ除去器にＣＯを燃焼させるのに必要な量論比以上の空気を導入する。このように過剰な空気を導入するために、ＣＯの燃焼に使われなかった空気は改質ガス中のＨ_２を燃焼し、ＣＯ除去器出口のＨ_２濃度はＣＯ変性器出口に加え１〜１０％程度減少する。
【０００８】
また、上記特許文献１に記載の方法では、触媒出口のＣＯ濃度は、ほとんどの場合１０ｐｐｍを超えている（表参照）。このような高濃度のＣＯを含む水素ガスを燃料電池に供給することは、燃料電池の効率を低下させることになる。
【０００９】
本発明の課題は、ＣＯ除去器に加える空気量を少なくすることにより、発電に寄与するＨ_２量を増加させ、発電効率を向上させることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する手段として、炭素系燃料を改質して水素を含む反応ガスを発生させる改質器とこの改質器から排出される反応ガス中のＣＯをＨ_２に変換するＣＯ変性器と、このＣＯ変性器から排出される反応ガスと酸素含有ガスとを反応させてＣＯ濃度を低減させる中濃度ＣＯ除去器と、このＣＯ除去器から排出される反応ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備え、ＣＯ除去器と燃料電池の中間に、燃料電池に有害とならない程度にＣＯ濃度を低減する低濃度ＣＯ除去装置を配置した。ＣＯ除去スタックでＣＯを消費し、改質ガス中のＣＯ濃度を低減することが可能になるため、ＣＯ除去器では従来のように低いＣＯ濃度までＣＯを除去する必要がなくなる。このため、ＣＯ除去器に導入する空気量を低減することが可能となり、発電に寄与するＨ_２量を増加させるとともに、ＣＯ除去スタックで発電した電気を補機動力、系統出力などとして使用することにより、発電効率を向上することができる。低濃度ＣＯ除去装置として燃料電池スタックと同様な構成を用いれば、発電とＣＯ濃度の低減が同時に進行し、特に好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池発電システムについて、図面を参照して説明する。
【００１２】
（実施例１）
本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を図１に示す。燃料電池５は燃料である水素と空気中の酸素を反応させて発電するものであり、例えば、固体高分子型燃料電池が用いられる。本発明の燃料電池発電システムは燃料電池５の燃料である水素を含む改質ガスを発生させる改質器１と、この改質器１で発生したガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ変性器２、ＣＯ除去器３、ＣＯ除去スタック４を備え、このＣＯを低減したガスを燃料電池５に供給するように構成されている。また、制御部７によりＣＯ除去スタック４の電流、電圧を制御し、発電された電気は外部回路９に供給される。演算部８によりＣＯ除去器３の出口ガス組成を推定し、改質器１の運転状況を把握するように構成されている。
【００１３】
以下、本実施形態の燃料電池発電システムの詳細構成について、動作と共に説明する。まず、本発明における要素ごとの主たる反応について説明する。
【００１４】
（１）改質器における反応；以下の反応が６００〜６５０℃において進行する。改質ガス中のＣＯ濃度は約数容積％である。
【００１５】
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
Ｈ_２＋ＣＯ_２→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ
（２）ＣＯ変成器における反応；以下の反応が約３００℃で進行し、高濃度ＣＯは、約０．５容積％（５，０００ｐｐｍ）まで低下する。
【００１６】
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ⇔Ｈ_２＋ＣＯ_２
（３）中濃度ＣＯ除去器における反応；以下の反応が約１５０℃で進行し、ＣＯ濃度は約数百ｐｐｍとなる。従来技術においては、ＣＯ除去器からの排出ＣＯ濃度を、燃料電池に害のない１０ｐｐｍ以下にするために、過剰量の空気又は含酸素ガスを供給していたため、水素が消費されてしまう。本発明では、このＣＯ除去器でＣＯ濃度を数百ｐｐｍ程度におさえるため、余分な水素の消費がない。
【００１７】
ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
（４）低濃度ＣＯ除去器における反応；以下の反応が約１００℃以下で起こり、ＣＯ濃度は１０ｐｐｍ以下となり、燃料電池に害のないＣＯ濃度となる。この反応はＣＯを吸着する触媒（例えば白金族元素）上で起こる。下記反応をまとめると、２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２であるが、ＣＯの消費が酸素ではなくて水蒸気によって行われるので、水素が余分に消費されない。

【００１８】
以上のように、本発明はＣＯ除去のために、数千ｐｐｍのＣＯから数百ｐｐｍ程度の中濃度ＣＯに減らすための手段（中濃度ＣＯ除去器）と、数百ｐｐｍのＣＯを１０ｐｐｍ以下のＣＯ濃度に減らす手段（低濃度ＣＯ除去器）を用いたことが特徴である。
【００１９】
低濃度ＣＯ除去器としては、ＣＯを吸着して、水蒸気と反応させてＣＯ_２に変換する方式であればよい。その代表的な例は、燃料電池の構成を利用したＣＯ除去スタックである。これを利用すると、ＣＯの除去と発電が行われ、無駄なくＣＯ除去ができる。
【００２０】
本発明において、低濃度ＣＯ除去器は燃料電池スタックに比べて容量は小さくてよく、例えば燃料電池の構成を利用した場合は、大まかに言って、約１０分の１程度の容量がよい。
【００２１】
以下、実施例を図面を用いて説明する。燃料電池５の燃料である水素を含む改質ガスを発生させる改質器１に空気１０と炭素系燃料１３と水１４を供給する。改質器１内部の燃焼部で発生する熱を利用して炭素系燃料１３を改質し、改質ガスを発生させる。この改質器で発生させた改質ガスはＣＯ変性器２に供給され、ＣＯをＨ_２に変換する触媒を用いて改質ガス中のＣＯを以下の反応によりＨ_２に変換し、上記のように改質ガス中のＣＯ濃度を１％以下に低減する。
【００２２】
ＣＯ変性器２から排出された改質ガスはＣＯ除去器３に供給され、ＣＯ濃度をさらに低下するために、空気１１を供給し、ＣＯを選択的に酸化する触媒を用いてＣＯをＣＯ_２に変化させて改質ガス中のＣＯ濃度を数百ｐｐｍに低減する。ＣＯ除去器３から排出された改質ガスは低濃度ＣＯ除去装置であるＣＯ除去スタック４に供給され、改質ガス中のＣＯと加湿器６で加湿した空気中の酸素で発電を行い、改質ガス中のＣＯを十数ｐｐｍ以下又は１０ｐｐｍ以下に低減する。
【００２３】
また、発電した電気は外部回路９に供給され、燃料電池発電システムの補機動力、系統出力などによって消費される。ＣＯ除去スタック１４から排出される改質ガスおよび空気は、燃料電池５に供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素で発電を行う。
【００２４】
次に、本実施形態の特徴部であるＣＯ除去スタック１４について説明する。ＣＯ除去スタック１４の積層構成を図２に示す。ＣＯ除去スタック１４は燃料電池５とほぼ同様な構成となっている。その構成は電解質膜１５とそれを両側から挟むアノード１６（燃料極）とカソード１７（空気極）の両電極、さらにその外側に改質ガスおよび空気を流すためのガス流路を構成し、改質ガスと空気との混合を防止するガスセパレータ１９、改質ガスと空気の積層電池外部への漏洩およびマニホールド２２内での混合を防止するシール材１８とから構成される単位セル２０を形成している。
【００２５】
また、単位セルまたは複数の単位セルの積層体にはこれらの冷却のために冷却水セパレータ２１を配置する。単位セル２０と冷却水セパレータ２１を複数積層し、積層体の両端に締付板２３を配置して締付けてＣＯ除去スタック４を構成する。また、単位セル２０に改質ガスや空気を、冷却水セパレータ２１に冷却水を供給するために、シール材１８、ガスセパレータ１９、冷却水セパレータ２１、締付板２３にマニホールド２２が形成されている。
【００２６】
ＣＯ除去スタック１４の断面構成を図３に示す。ＣＯ除去スタック１４に供給された改質ガスと空気は、図３に示すようにマニホールド２２を通して各単位セル２０に供給される。ＣＯ除去スタックに供給された改質ガス中のＣＯは、アノード１６で酸化されＣＯ_２に変化するため、改質ガス中のＣＯ濃度を低減することが可能となる。また、単位セル２０の電圧とＣＯ除去率には図４で示すような関係があるので、単位セルの電圧と負荷電流を制御することにより、ＣＯ除去率が高い領域でＣＯ除去スタックを運転することができる。
【００２７】
このときアノード１６の触媒としてはＣＯが吸着し易い白金などが望ましい。さらに、ＣＯ除去スタックではＣＯの酸化と同時に発電が行われるため、ここで生じた電力を燃料電池発電システムの補機動力、系統出力などに用いることにより、発電効率を向上させることができる。
【００２８】
ＣＯ除去スタックの負荷電流と単位セル電圧は各ＣＯ濃度で図５で示すような関係があるので、これらの関係からＣＯ除去器３出口のＣＯ濃度を演算部８で計算させ、ＣＯ除去器３からのＣＯ濃度が設定値以上になった場合には警報を出力することができる。
【００２９】
以上のように、ＣＯ除去器と燃料電池の中間にＣＯを消費しながら発電をする低濃度ＣＯ除去装置、特にＣＯ除去スタックを配置することにより、ＣＯ除去スタックでＣＯを消費し、改質ガス中のＣＯ濃度を低減することが可能になるため、ＣＯ除去器では従来のように低いＣＯ濃度までＣＯを除去する必要がなくなる。このため、ＣＯ除去器に導入する空気量を低減することが可能となり、発電に寄与するＨ_２量を増加させるとともに、ＣＯ除去スタックで発電した電気を補機動力、系統出力などとして使用することにより、発電効率を向上するという効果が得られる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、水素ガスの消費を最低限に抑えて、ＣＯ濃度を低減でき、燃料電池の性能を維持することができる。また、低濃度ＣＯ除去装置として、燃料電池と同様の構成のスタックを用いると、ＣＯの低減と発電を同時に行えて、エネルギーの有効利用が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電システム主要部の一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態による低濃度ＣＯ除去スタックの全体構成の主要部を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の実施形態による低濃度ＣＯ除去スタックの全体構成の主要部を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態による低濃度ＣＯ除去スタックの単位セル電圧とＣＯ除去率の関係の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による低濃度ＣＯ除去スタックの各ＣＯ濃度における電流密度と単位セル電圧の関係の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…改質器、２…ＣＯ変性器、３…ＣＯ除去器、４…ＣＯ除去スタック、５…燃料電池、６…加湿部、７…制御部、８…演算部、９…外部回路、１０，１１，１２…空気、１３…炭素系燃料、１４…水、１５…電解質膜、１６…アノード、１７…カソード、１８…シール材、１９…ガスセパレータ、２０…単位セル、２１…冷却水セパレータ、２２…マニホールド、２３…締付板。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system that generates power using carbon-based fuel and hydrogen generated by steam.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, the improvement of the electrochemical characteristics of a solid polymer membrane has been expected to realize a home polymer electrolyte fuel cell power generation system as an on-site distributed power source. At the time of commercialization of this household fuel cell power generation system, higher efficiency than a conventional power generation system is expected, and various proposals have been made for higher efficiency.
[0003]
As an example of a polymer electrolyte fuel cell power generation system, a system for generating power by reacting H ₂ and O ₂ on an electrode is well known. H ₂ of the fuel gas is obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel by a reformer. The reformed gas supplied from this reformer contains CO ₂ , CO, N ₂ , H ₂ O, etc. in addition to hydrogen. Since the CO contained in the reformed gas causes a decrease in the performance of the polymer electrolyte fuel cell, air is added to the reformed gas to convert CO into H ₂ and CO is burned to add CO to the reformed gas. ₂ is provided with a CO remover. The reformed gas discharged from the CO remover is humidified by a humidifier and supplied to the fuel cell. Electric power is generated by the polymer electrolyte fuel cell using the reformed gas and the air.
[0004]
A technique of removing CO from a hydrogen-containing gas by a contact method in a fuel cell power generation system is described in JP-A-2002-121008 (Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-121008 (abstract)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, would also be burned portion of H ₂ as a fuel for a fuel cell along with CO during the introduction of air into the reformed gas in the prior art as described above, burned H ₂ can not be made to contribute to the power generation There was a problem.
[0007]
For example, in order to remove 1000 to 8000 ppm of CO contained in the reformed gas at the outlet of the CO reformer to about 10 ppm, air having a stoichiometric ratio or more necessary for burning CO is introduced into the CO remover. In order to introduce such excess air, air not used for CO combustion burns H ₂ in the reformed gas, and the H ₂ concentration at the outlet of the CO remover increases by 1 to 1 at the outlet of the CO reformer. It is reduced by about 10%.
[0008]
Further, in the method described in Patent Document 1, the CO concentration at the catalyst outlet is almost more than 10 ppm in most cases (see Table). Supplying a hydrogen gas containing such a high concentration of CO to a fuel cell reduces the efficiency of the fuel cell.
[0009]
An object of the present invention is to reduce the amount of air added to a CO remover, thereby increasing the amount of H ₂ contributing to power generation and improving power generation efficiency.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As means for solving the above problems, a reformer for reforming a carbon-based fuel to generate a reaction gas containing hydrogen and a CO modification for converting CO in the reaction gas discharged from the reformer into H ₂ Reactor, a medium-concentration CO remover for reducing the CO concentration by reacting the reaction gas and oxygen-containing gas discharged from the CO modifier, and a reaction gas and oxygen-containing gas discharged from the CO remover. A fuel cell for generating power by reacting is provided, and a low-concentration CO removing device for reducing the CO concentration to such an extent that the fuel cell is not harmful is arranged between the CO remover and the fuel cell. Since CO can be consumed in the CO removal stack and the CO concentration in the reformed gas can be reduced, the CO remover does not need to remove CO to a low CO concentration as in the related art. For this reason, it is possible to reduce the amount of air introduced into the CO remover, increase the amount of H ₂ contributing to power generation, and use the electricity generated by the CO removal stack as auxiliary power, system output, etc. Thereby, power generation efficiency can be improved. It is particularly preferable to use a configuration similar to that of the fuel cell stack as the low-concentration CO removing device because power generation and reduction of the CO concentration proceed simultaneously.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell power generation system to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
[0012]
(Example 1)
FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell 5 generates power by reacting hydrogen, which is a fuel, with oxygen in the air. For example, a polymer electrolyte fuel cell is used. The fuel cell power generation system according to the present invention includes a reformer 1 for generating a reformed gas containing hydrogen, which is a fuel of a fuel cell 5, and a CO reformer 2 for reducing the CO concentration in the gas generated by the reformer 1. , A CO remover 3, and a CO remover stack 4, and are configured to supply the CO-reduced gas to the fuel cell 5. The current and voltage of the CO removal stack 4 are controlled by the control unit 7, and the generated electricity is supplied to the external circuit 9. The arithmetic unit 8 is configured to estimate the gas composition at the outlet of the CO remover 3 and to grasp the operation state of the reformer 1.
[0013]
Hereinafter, the detailed configuration of the fuel cell power generation system according to the present embodiment will be described along with the operation. First, the main reaction of each element in the present invention will be described.
[0014]
(1) Reaction in a reformer; the following reaction proceeds at 600 to 650 ° C. The CO concentration in the reformed gas is about several volume%.
[0015]
CH ₄ + 2H ₂ O → 4H ₂ + CO ₂
CH ₄ + H ₂ O → 3H ₂ + CO
H ₂ + CO ₂ → CO + H ₂ O
(2) Reaction in a CO converter: The following reaction proceeds at about 300 ° C., and high-concentration CO decreases to about 0.5% by volume (5,000 ppm).
[0016]
CO + H ₂ O⇔H ₂ + CO ₂
(3) Reaction in a medium-concentration CO remover: The following reaction proceeds at about 150 ° C., and the CO concentration becomes about several hundred ppm. In the prior art, an excessive amount of air or oxygen-containing gas was supplied in order to reduce the concentration of CO exhausted from the CO remover to 10 ppm or less, which is harmless to the fuel cell, so that hydrogen was consumed. In the present invention, since the CO concentration is suppressed to about several hundred ppm by the CO remover, no extra hydrogen is consumed.
[0017]
CO + 1 / 2O ₂ → CO ₂
H ₂ + 1 / 2O ₂ → H ₂ O
(4) Reaction in a low-concentration CO remover: The following reaction occurs at about 100 ° C. or lower, and the CO concentration becomes 10 ppm or less, which is a CO concentration harmless to the fuel cell. This reaction occurs on a catalyst that adsorbs CO (eg, a platinum group element). The following reaction is summarized as 2CO + O ₂ → 2CO ₂ , but since CO is consumed not by oxygen but by steam, hydrogen is not consumed excessively.

[0018]
As described above, the present invention provides a means (medium-concentration CO remover) for reducing CO from several thousand ppm to medium-concentration CO of several hundred ppm for removing CO, and several hundred ppm of CO to 10 ppm or less. It is characterized in that means (low-concentration CO remover) for reducing the CO concentration is used.
[0019]
The low-concentration CO remover may be any method that adsorbs CO and reacts it with water vapor to convert it into CO ₂ . A typical example is a CO removal stack utilizing a fuel cell configuration. By utilizing this, CO removal and power generation are performed, and CO can be removed without waste.
[0020]
In the present invention, the capacity of the low-concentration CO remover may be smaller than that of the fuel cell stack. For example, when the configuration of the fuel cell is used, a capacity of about 1/10 is generally good.
[0021]
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The air 10, the carbon-based fuel 13, and the water 14 are supplied to the reformer 1 that generates a reformed gas containing hydrogen, which is the fuel of the fuel cell 5. The carbon-based fuel 13 is reformed by using heat generated in a combustion section inside the reformer 1 to generate a reformed gas. The reformer reformed gas generated in is supplied to the CO shift unit 2, by the following reaction of CO in the reformed gas using a catalyst for converting CO into H ₂ converted into H _2, of the Thus, the CO concentration in the reformed gas is reduced to 1% or less.
[0022]
The reformed gas discharged from the CO reformer 2 is supplied to the CO remover 3, where air 11 is supplied to further reduce the CO concentration, and CO is converted to CO ₂ using a catalyst that selectively oxidizes CO. To reduce the CO concentration in the reformed gas to several hundred ppm. The reformed gas discharged from the CO remover 3 is supplied to a CO removal stack 4 which is a low-concentration CO remover, and generates electricity by using CO in the reformed gas and oxygen in the air humidified by the humidifier 6. CO in the raw gas is reduced to ten or less ppm or 10 ppm or less.
[0023]
The generated electricity is supplied to the external circuit 9 and is consumed by auxiliary power of the fuel cell power generation system, system output, and the like. The reformed gas and air discharged from the CO removal stack 14 are supplied to the fuel cell 5, and generate power using hydrogen in the reformed gas and oxygen in the air.
[0024]
Next, the CO removal stack 14, which is a feature of the present embodiment, will be described. FIG. 2 shows a stack configuration of the CO removal stack 14. The CO removal stack 14 has substantially the same configuration as the fuel cell 5. In this configuration, an electrolyte membrane 15 and both electrodes of an anode 16 (fuel electrode) and a cathode 17 (air electrode) sandwiching the electrolyte membrane 15 from both sides and a gas flow path for flowing reformed gas and air outside the electrolyte membrane 15 are formed. A unit cell 20 comprising a gas separator 19 for preventing mixing of the reformed gas and air, and a sealing material 18 for preventing leakage of the reformed gas and air to the outside of the stacked battery and mixing in the manifold 22. ing.
[0025]
In addition, a cooling water separator 21 is disposed in the unit cell or a stacked body of the plurality of unit cells for cooling them. A plurality of unit cells 20 and a plurality of cooling water separators 21 are stacked, and fastening plates 23 are arranged at both ends of the stacked body and fastened to form a CO removal stack 4. In order to supply reformed gas or air to the unit cell 20 and supply cooling water to the cooling water separator 21, a manifold 22 is formed on the sealing member 18, the gas separator 19, the cooling water separator 21, and the fastening plate 23. I have.
[0026]
FIG. 3 shows a sectional configuration of the CO removal stack 14. The reformed gas and air supplied to the CO removal stack 14 are supplied to each unit cell 20 through the manifold 22 as shown in FIG. Since the CO in the reformed gas supplied to the CO removal stack is oxidized at the anode 16 and changes into CO ₂ , the CO concentration in the reformed gas can be reduced. Further, since the voltage of the unit cell 20 and the CO removal rate have a relationship as shown in FIG. 4, the CO removal stack is operated in a region where the CO removal rate is high by controlling the voltage and the load current of the unit cell. be able to.
[0027]
At this time, the catalyst of the anode 16 is preferably platinum or the like in which CO is easily adsorbed. Further, in the CO removal stack, power is generated at the same time as the oxidation of CO. Therefore, by using the generated power for auxiliary power of the fuel cell power generation system, system output, and the like, power generation efficiency can be improved.
[0028]
Since the load current of the CO removal stack and the unit cell voltage have a relationship as shown in FIG. 5 for each CO concentration, the CO concentration at the outlet of the CO remover 3 is calculated by the arithmetic unit 8 from these relationships, and the CO remover 3 An alarm can be output when the CO concentration from is higher than the set value.
[0029]
As described above, by arranging the low-concentration CO removal device that generates power while consuming CO between the CO remover and the fuel cell, particularly, the CO removal stack consumes CO in the CO removal stack, and the reformed gas is consumed. Since the CO concentration in the CO can be reduced, the CO remover does not need to remove CO to a low CO concentration as in the related art. This makes it possible to reduce the amount of air introduced into the CO remover, increase the amount of H ₂ that contributes to power generation, and use the electricity generated by the CO removal stack as auxiliary power, system output, etc. Thereby, the effect of improving the power generation efficiency can be obtained.
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, the consumption of hydrogen gas can be minimized, the CO concentration can be reduced, and the performance of the fuel cell can be maintained. In addition, if a stack having the same configuration as that of the fuel cell is used as the low-concentration CO removing device, CO reduction and power generation can be performed at the same time, and effective use of energy can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of a main part of a fuel cell power generation system of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing a main part of the overall configuration of the low-concentration CO removal stack according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main part of the entire configuration of the low-concentration CO removal stack according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a relationship between a unit cell voltage and a CO removal rate of a low concentration CO removal stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a relationship between a current density and a unit cell voltage at each CO concentration of the low-concentration CO removal stack according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reformer, 2 ... CO modifier, 3 ... CO remover, 4 ... CO removal stack, 5 ... Fuel cell, 6 ... Humidifier, 7 ... Control part, 8 ... Operation part, 9 ... External circuit, 10 , 11, 12 ... air, 13 ... carbon-based fuel, 14 ... water, 15 ... electrolyte membrane, 16 ... anode, 17 ... cathode, 18 ... sealing material, 19 ... gas separator, 20 ... unit cell, 21 ... cooling water separator , 22 ... manifold, 23 ... fastening plate.

Claims

A reformer for generating a reaction gas containing hydrogen by reforming carbonaceous fuel, and CO-modified to convert the CO in the reaction gas discharged from the reformer to H _2, from the CO-modified unit A medium-concentration CO remover for reducing the CO concentration by reacting the discharged reaction gas with an oxygen-containing gas, and a low-concentration CO removal device for oxidizing and removing CO in the reaction gas discharged from the medium-concentration CO remover A fuel cell power generation system comprising: a fuel cell that generates power by reacting an outlet gas of the low-concentration CO removal device with an oxygen-containing gas.

2. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the CO removal stack generates power while consuming CO.

3. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the low-concentration CO removal device comprises a stack that is basically the same as the configuration of the fuel cell. 4.

The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a control unit that controls a current and a voltage extracted from the low-concentration CO removal device.

The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 4, wherein the power generated by the low-concentration CO removal stack is supplied to an external circuit.

The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 5, further comprising a calculation unit configured to estimate a property of a gas at the outlet of the CO remover from values of a current and a voltage taken out of the CO removal stack. Power generation system.