JP2005038736A - Fuel cell power generation system and exhaust gas treatment method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車等の車両に搭載される燃料電池発電システム及び燃料電池から排出されるオフガスを処理する排ガス処理方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation system mounted on a vehicle such as an automobile and an exhaust gas treatment method for treating off-gas discharged from the fuel cell.
燃料電池は、水素ガスと酸素ガスとを電気化学的に反応して、燃料の持つ化学エネルギを電気エネルギに直接変換する装置である。化学エネルギを電気エネルギに直接変換するため、燃料電池の発電効率は火力発電などの他の発電システムに比べて高い。また、燃料電池は、化石燃料を使用しないため資源の枯渇が問題とならず、発電に伴い排気ガスが生じない等の利点を有することから、地球環境保護の観点からも注目されている。そこで、近年、燃料電池は、自動車搭載用の動力源としての実用化が進められている。燃料電池を車両に搭載する際には、燃料である水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、燃料である酸素ガスを含む空気を供給する空気供給手段と、燃料電池から排出されるオフガスを処理して、水素オフガス濃度を規定値内とする排ガス処理手段と、を少なくとも備えた燃料電池発電システムを搭載する必要がある。 A fuel cell is a device that converts hydrogen chemical energy into electric energy directly by electrochemically reacting hydrogen gas and oxygen gas. Since chemical energy is directly converted into electric energy, the power generation efficiency of the fuel cell is higher than that of other power generation systems such as thermal power generation. In addition, since fuel cells do not use fossil fuels, depletion of resources does not become a problem, and they have advantages such as no generation of exhaust gas with power generation. Therefore, fuel cells are attracting attention from the viewpoint of protecting the global environment. Thus, in recent years, fuel cells have been put into practical use as a power source for mounting on automobiles. When a fuel cell is mounted on a vehicle, hydrogen gas supply means for supplying hydrogen gas as fuel, air supply means for supplying air containing oxygen gas as fuel, and off-gas discharged from the fuel cell are processed. Thus, it is necessary to mount a fuel cell power generation system including at least an exhaust gas treatment unit that keeps the hydrogen off-gas concentration within a specified value.
燃料電池から排出されたオフガスを処理する燃料電池発電システムとして、例えば、燃料電池から排出される水素オフガスと酸素ガスを含む空気オフガスとを混合し、排ガス中の水素オフガス濃度を希釈して、排ガス中の水素オフガス濃度を低減して排出するシステムを開発している。また、水素オフガスと空気オフガスとを混合した後、燃焼器を通過させて、白金(Pt)等の貴金属触媒により水素ガスを酸化反応して、排ガス中の水素オフガス濃度を低減したシステムを開発している。本発明の燃料電池システム及び排ガス処理方法によれば、排ガス中の水素オフガス濃度を低減した上で、排ガスを大気に排出することができる（特許文献１参照）。
しかしながら、上記構成の燃料電池発電システムでは、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼器で触媒酸化して水素ガスを処理する構成としたため、燃料電池から排出されるオフガスの全量を燃焼器に流通させる場合には、燃焼器を大型化する必要があった。 However, in the fuel cell power generation system having the above configuration, the off gas discharged from the fuel cell is catalytically oxidized by the combustor to process the hydrogen gas, so that the entire amount of off gas discharged from the fuel cell is circulated to the combustor. In some cases, it was necessary to enlarge the combustor.
また、水素酸化は発熱反応であるため、水素酸化反応により生じた排熱を回収するために熱交換器を設置して、低温熱源である不凍液等の冷却水と熱交換しているが、水素を大量に酸化した場合には、当然大量の熱が発生し、熱交換容量を大きくするために、熱交換器を大型化しなければならなかった。このように、燃料電池から排出した全量のオフガスを燃焼器に流通させる構成とすると、燃焼器の大型化により燃料電池発電システム自体が大型化してしまい、車両等への搭載が困難であった。 In addition, since hydrogen oxidation is an exothermic reaction, a heat exchanger is installed to recover the exhaust heat generated by the hydrogen oxidation reaction, and heat exchange is performed with cooling water such as antifreeze that is a low-temperature heat source. When a large amount of was oxidized, naturally a large amount of heat was generated, and the heat exchanger had to be enlarged in order to increase the heat exchange capacity. As described above, when the entire amount of off-gas discharged from the fuel cell is distributed to the combustor, the fuel cell power generation system itself is enlarged due to the increase in the size of the combustor, and it is difficult to mount the fuel cell on a vehicle or the like.
さらに、水素を大量に酸化する場合には、白金(Pt)等の高価な貴金属触媒も大量に必要となるため、コストが高騰する要因となっていた。 Furthermore, in the case of oxidizing a large amount of hydrogen, a large amount of expensive noble metal catalyst such as platinum (Pt) is required, which has been a cause of cost increase.
本発明における第１の発明は、水素ガス及び空気中の酸素ガスを燃料として電力を生成する燃料電池を備えた燃料電池発電システムであって、燃料電池から排出される水素オフガスを排出する水素オフガス配管と、空気オフガスを排出する空気オフガス配管と、前記水素オフガス配管及び空気オフガス配管を統合した排ガス配管と、この排ガス配管に接続された燃焼器と、前記水素オフガス配管及び空気オフガス配管の合流部上流側の水素オフガス配管から分岐して接続され、前記燃焼器の後流側の排ガス配管に接続した水素オフガスバイパス配管と、を備えたことを要旨とする。 1st invention in this invention is a fuel cell power generation system provided with the fuel cell which produces | generates electric power by making hydrogen gas and oxygen gas in air into fuel, Comprising: Hydrogen off gas which discharge | releases hydrogen off gas discharged | emitted from a fuel cell A pipe, an air off-gas pipe for discharging air off-gas, an exhaust gas pipe integrating the hydrogen off-gas pipe and the air off-gas pipe, a combustor connected to the exhaust gas pipe, and a junction of the hydrogen off-gas pipe and the air off-gas pipe The present invention includes a hydrogen off-gas bypass pipe that is branched and connected from the upstream hydrogen off-gas pipe and connected to the exhaust gas pipe on the downstream side of the combustor.
本発明における第２の発明である排ガス処理方法は、燃料電池から排出された水素オフガスの一部と空気オフガスとを混合して混合ガスとする第１の混合工程と、前記第１の混合工程後に、前記混合ガスを燃料器に導入して混合ガスを燃焼し、水素オフガス濃度を希釈した燃焼排ガスを排出する燃焼工程と、前記燃焼工程後に、燃焼排ガスと水素オフガスの残りの一部とを混合する第２の混合工程と、を有することを要旨とする。 The exhaust gas treatment method according to the second aspect of the present invention includes a first mixing step in which a part of hydrogen off-gas discharged from a fuel cell and air off-gas are mixed to form a mixed gas, and the first mixing step. Later, a combustion step of introducing the mixed gas into a fuel device to burn the mixed gas and discharging a flue gas having a diluted hydrogen off gas concentration; and a portion of the remaining portion of the flue gas and the hydrogen off gas after the combustion step. And a second mixing step of mixing.
本発明の燃料電池発電システムによれば、燃焼器をバイパスする水素バイパス配管を接続して、水素オフガスの全量を燃焼器に流通させないため、燃焼器及び熱交換器等の冷却系機器を小型化でき、システム自体を小型化し、自動車等の車両に搭載することができる。 According to the fuel cell power generation system of the present invention, a hydrogen bypass pipe that bypasses the combustor is connected so that the entire amount of hydrogen off-gas is not distributed to the combustor, so that the cooling system equipment such as the combustor and the heat exchanger is downsized. In addition, the system itself can be miniaturized and mounted on a vehicle such as an automobile.
また、本発明の燃料電池発電システムによれば、高価な白金触媒等の使用量を減らし、低コスト化できる。 Moreover, according to the fuel cell power generation system of the present invention, the amount of expensive platinum catalyst used can be reduced and the cost can be reduced.
本発明の排ガス処理方法によれば、燃料電池から排出される水素オフガス濃度を十分に低くした上で水素オフガスを排出することができる。 According to the exhaust gas treatment method of the present invention, the hydrogen off-gas can be discharged after sufficiently reducing the concentration of hydrogen off-gas discharged from the fuel cell.
以下、本発明に係る燃料電池発電システム及び排ガス処理方法について、図１〜図５を用いて説明する。 Hereinafter, a fuel cell power generation system and an exhaust gas treatment method according to the present invention will be described with reference to FIGS.
＜第１実施形態（図１、図２）＞
本実施形態において、燃料電池発電システムの基本的な構成について説明する。
<First Embodiment (FIGS. 1 and 2)>
In the present embodiment, a basic configuration of the fuel cell power generation system will be described.
図１は、第１実施形態の燃料電池発電システムの構成を説明する図である。図１に示すように、燃料電池発電システム１は、燃料電池２の前段に、燃料である水素ガスを燃料電池２に供給する水素ガス供給手段３と、空気を燃料電池２に供給する空気供給手段４を設置している。燃料電池２の後段に、燃料電池２から排出される空気ガスを排気する空気オフガス排気手段５と、燃料電池２から排出される水素ガスを排気する水素オフガス排気手段６と、を設置しており、空気オフガス排気手段５と水素オフガス排気手段６との後流側に、水素オフガス及び空気オフガスを混合した排ガスを処理する排ガス処理手段７を備える。本発明の燃料電池発電システム１は、水素オフガス排気手段６と排ガス処理手段７とに特徴を有するものであり、以下、さらに詳細に説明する。
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the fuel cell power generation system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, a fuel cell
[水素ガス供給手段３] 水素ガス供給手段３は、水素ガスを貯留して燃料電池２に高圧水素ガスを供給する水素タンク８を設置し、この水素タンク８に一端を接続し、他端を燃料電池２に接続した水素ガス供給配管９を設けている。水素タンク８後段の水素ガス供給配管９に、発電時に開くシャット弁１０及び水素ガスを減圧する減圧弁１１を設置しており、さらにその後流側に熱交換器１２を接続して、熱交換器１２により膨張に伴い温度が低下した水素ガスを加温する。熱交換器１２の後段に減圧弁１３を設置し、燃料電池２に所定圧力の水素ガスを供給する。
[Hydrogen gas supply means 3] The hydrogen gas supply means 3 is provided with a
[空気供給手段４] 空気供給手段４は、空気中の塵埃を集めるエアクリーナ１４に一端を接続し、他端を燃料電池２に接続した空気供給配管１５を設けている。エアクリーナ１４後段の空気供給配管１５には、空気を圧送するコンプレッサ１６及び加湿器１７を設置して、加湿器１７により乾燥空気を加湿する。
[Air Supply Unit 4] The
[燃料電池２] 燃料電池２は、図１には図示しないが、水素ガスと、空気中の酸素ガスとを電気化学的に反応して、燃料の持つ化学エネルギを電気エネルギに直接変換しており、以下、水素極及び酸素極の電極反応を示す。
[Fuel Cell 2] Although not shown in FIG. 1, the
（化１）
水素極：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- ・・・式（１）
酸素極：(１/２)Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-→Ｈ2 Ｏ ・・・式（２）
水素極には水素ガスが供給され、式（１）の反応が進行してプロトンを生成する。プロトンは水和状態で電解質内を移動して酸素極に至り、電子は外部回路（負荷）を通って酸素極に至る。酸素極では、このプロトンと電子と供給された空気中の酸素ガスにより、式（２）の反応が進行する。式（１）、（２）の反応が各極で進行して、燃料電池２で起電力が生じ、燃料電池２から水素オフガスと空気オフガスとが排出される。
(Chemical formula 1)
Hydrogen electrode: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Oxygen electrode: (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
Hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode, and the reaction of Formula (1) proceeds to generate protons. Protons move in the electrolyte in a hydrated state to reach the oxygen electrode, and electrons pass through an external circuit (load) to reach the oxygen electrode. At the oxygen electrode, the reaction of the formula (2) proceeds by the oxygen gas in the air supplied with the protons and electrons. The reactions of the equations (1) and (2) proceed at each electrode, an electromotive force is generated in the
[空気オフガス排気手段５] 空気オフガス排気手段５は、燃料電池２に空気オフガス配管１８を接続し、空気オフガス配管１８に、空気オフガス中の過剰な水分をトラップする気水分離器１９を設置して、気水分離器１９の後流に空気側の圧力を調整する調圧弁２０を設けている。
[Air Off Gas Exhaust Means 5] The air off gas exhaust means 5 includes an air off
[水素オフガス排気手段６] 水素オフガス排気手段６は、燃料電池２に水素オフガス配管２１を接続し、燃料電池２の後流側に気水分離器２２を設け、気水分離器２２により水素オフガス中の過剰な水分をトラップする。気水分離器２２の後流側に、水素オフガス配管２１から分岐して循環配管２３を接続し、循環配管２３は、燃料電池２上流側の減圧弁１３後段の水素供給配管９に接続して、循環配管２０に循環ポンプ２４（エゼクタであっても良い）を設置している。これにより、燃料電池２から排出した水素ガスを再度燃料電池２に供給して水素ガスを循環して、水素ガスの利用効率の向上を図っている。
[Hydrogen Off Gas Exhaust Means 6] The hydrogen off gas exhaust means 6 has a hydrogen off
循環配管２３と分岐した一方の水素オフガス配管２１は、後述するように、後流側で空気オフガス配管１８と接続しているが、この合流部手前で、水素オフガス配管２１はさらに分岐して、水素ガスバイパス配管２５と接続している。水素バイパス配管２５の他端は、後述する排ガス処理手段７の燃焼器２９下流に燃焼器２９をバイパスして接続している。水素ガスバイパス配管２５との分岐点手前の水素オフガス配管２１には、シャット弁２６を設けており、水素ガスバイパス配管２５と水素オフガス配管との分岐点に供給する水素オフガス量を調整している。また、水素ガスバイパス配管２５にシャット弁２７を設置している。水素オフガス配管２１及び水素ガスバイパス配管２５に設置したシャット弁２６,２７は、パージする際に開く。
One
[排ガス処理手段７] 排ガス処理手段７は、水素オフガス配管２１と空気オフガス配管１８とを統合した排ガス用の排ガス配管２８を接続しており、排ガス配管２８に燃焼器２９及び熱交換器３０を順次接続している。さらに、熱交換器３０の後流側に、水素ガスバイパス配管２５との合流部前後に水素オフガス濃度を検出する水素オフガス濃度検出手段としての２つの水素オフガス濃度検出センサ３１,３２を設置している。
[Exhaust gas treatment means 7] The exhaust gas treatment means 7 is connected to an
燃焼器２９では、燃料用排ガスを燃焼して水素ガスを酸化するが、水素酸化は発熱反応であるため、発熱エネルギを燃料電池発電システム１内において有効活用するため、燃焼器２９後流側の熱交換器３０により排熱回収をする。なお、熱交換器３０は、低温熱源である不凍液等の冷却水と熱交換するものである。
In the
燃焼器２９から排出された燃焼排ガスを熱交換器３０により冷却した後、冷却した燃料排ガスと水素ガスバイパス配管２５から流通させた水素オフガスの一部とを合流部（マフラと共通でも良い）で合流して排ガスを処理する。
After the combustion exhaust gas discharged from the
上記構成の燃料電池発電システム１では、以下に示す方法により燃料電池２から排出した水素オフガス及び空気オフガスを処理する。
In the fuel cell
まず、パージ機構（シャット弁２６）により、断続的に燃料電池２から排出された水素オフガスの一部とを、燃料電池２から排出された空気オフガスと混合して混合ガスとする（第１の混合工程）。次に、混合ガスを燃料器２９に導入して混合ガスを燃焼し、水素オフガス濃度を希釈して燃焼排ガスを排出する（燃焼工程）。燃焼工程後、燃焼排ガスと、水素オフガスの残りの一部とを混合し（第２の混合工程）、第２の混合工程後に、水素センサ３１により燃焼排ガスと水素オフガスのうち残りの一部とからなる混合排ガスが、閾値以下であるか否かを判定する（水素オフガス濃度判定工程）。水素オフガス濃度判定工程において、規定の閾値よりも水素オフガス濃度が高い値である場合に、シャット弁２７の開度を広げ、規定の閾値よりも水素オフガス濃度が低い値である場合に、シャット弁２７の開度を狭める。
First, a part of the hydrogen off-gas intermittently discharged from the
上記工程により、燃料電池２から排出される水素オフガスと空気オフガスとを処理するが、本処理は、図１に図示しないが制御装置を設け、制御装置により水素オフガス処理を制御している。図２に、制御装置に組み込まれる制御プログラムのフロー図を示す。なお、本フロー図は、定常運転条件時に、シャット弁２６（又はシャット弁２７）を制御して、水素オフガスと空気オフガスとの流量を調整している。
Although the hydrogen off-gas and air off-gas discharged from the
図２に示すように、ステップ１０１では、フラグＦが１であるか否か判定する。Ｆ＝１の場合にステップ１０２へ進み、Ｆ＝０の場合にステップ１０５へ進む。
As shown in FIG. 2, in
ステップ１０２では、水素センサから検知した排気ガス中の水素オフガス濃度が上限値β以下であるか否か判定する。水素オフガス濃度が上限値β以上である場合に、水素オフガス濃度が規定上限値以上であるため、ステップ１０４へ進み水素オフガス濃度が低下するように動作させて、水素オフガス濃度を安全域内に維持する。一方、上限値β未満の場合には、ステップ１０３にてF＝０が入力される。
In
ステップ１０４では、バルブの規定開度σ分だけ閉じてF＝１が入力され、ステップ１０１に戻る。
In
ステップ１０５では、検知した水素オフガス濃度が下限値α以上であるか否かを判定する。下限値α以下の場合には、水素オフガス濃度を増加するように動作させて、水素を過剰に燃焼器に導入して酸化する。
In
ステップ１０６では、F＝1が入力され、ステップ１０８に進み、終了する。
In
ステップ１０７では、シャット弁２７の規定開度σ分だけ閉じて、F＝０が入力され、ステップ１０８に進み、終了する。
In step 107, the
以上説明したように、本実施形態によれば、燃焼器をバイパスする水素ガスバイパス配管を設けたため、燃料電池から排出される水素オフガスの全量を燃焼器で燃焼することなく、排気ガス中の水素オフガス濃度が外部に排出しても問題の無い規定値内に抑えて燃焼器を利用できるため、燃焼器を小型化することができる。また、本実施形態によれば、水素オフガス量を低減できるため、燃焼器に付加する触媒使用量を低らして低コスト化できる。さらに、本実施形態によれば、燃焼器での発熱量が低いため、その後段に設置した熱交換器も小型化でき、燃料電池発電システム自体を小型化できる。 As described above, according to the present embodiment, since the hydrogen gas bypass pipe for bypassing the combustor is provided, the hydrogen in the exhaust gas is not combusted in the combustor without burning the entire amount of the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell. Even if the off-gas concentration is discharged to the outside, the combustor can be used while keeping it within a specified value that does not cause a problem, so the combustor can be downsized. Moreover, according to this embodiment, since the amount of hydrogen off-gas can be reduced, the amount of catalyst used added to the combustor can be reduced and the cost can be reduced. Furthermore, according to this embodiment, since the calorific value in the combustor is low, the heat exchanger installed in the subsequent stage can also be miniaturized, and the fuel cell power generation system itself can be miniaturized.
＜第２実施形態（図３、図４）＞
本実施形態では、第１実施形態に示した燃料電池発電システムを改良して、排ガス処理手段の燃焼器温度を所定範囲の温度に維持したものである。
<Second Embodiment (FIGS. 3 and 4)>
In this embodiment, the fuel cell power generation system shown in the first embodiment is improved, and the combustor temperature of the exhaust gas treatment means is maintained within a predetermined range.
図３は、第２実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。なお、図１に示した燃料電池発電システムの構成と同一箇所の説明は同一符号を使用してその説明を省略する。 FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the fuel cell power generation system of the second embodiment. In addition, the description of the same location as the structure of the fuel cell power generation system shown in FIG. 1 is abbreviate | omitted using the same code | symbol.
図３に示す燃料電池発電システム３３では、空気オフガス配管１８と水素オフガス配管２１との合流部３４手前に、空気オフガス配管１８から分岐した空気オフガスバイパス配管３５を接続し、空気オフガスバイパス配管３５の他端は、排ガス配管２８の水素オフガス濃度検出センサ３１の後流側に接続している。空気オフガスバイパス配管３５には、バルブ３６を設置している。
In the fuel cell
このように空気オフガスバイパス配管３５を燃焼器の上流側における合流部３３手前に、空気オフガスバイパス配管３５を接続して空気オフガスの一部をバイパスすることにより、水素オフガス量を増やし、水素オフガスと空気オフガスとの混合時の水素オフガス濃度を閾値以下とすることができる。
In this way, by connecting the air off-
上記構成の燃料電池発電システム３３の排ガス処理手段における燃焼器での水素酸化は、混合ガス中の水素オフガス濃度と酸素オフガス濃度との比を一定の範囲内とし、かつ、閾値以上の温度条件とした場合に、混合ガス中の水素ガスの全量が酸化される状態となり、反応が良好に進行する。
The hydrogen oxidation in the combustor in the exhaust gas treatment means of the fuel cell
本実施形態では空気オフガスバイパス配管３５を配置したため、空気オフガバイパス配管３５から空気オフガスの一部を流通させることができる。このため、水素オフガス中の水素オフガス濃度に対して、空気オフガス中の酸素オフガス濃度が極めて大きい場合であっても、空気オフガスバイパス配管３５に空気オフガスの一部を流通させるように制御して、燃焼器２９に全量の空気オフガスを流通させないようにする。これにより、燃焼器２９へ流通するガス流量も減少し、混合ガス中の水素オフガス濃度と酸素オフガス濃度との比を一定の範囲内とし、かつ、閾値以上の温度条件下にできる。この結果、燃焼器２９での水素酸化反応が良好に進む。さらに、水素酸化反応は発熱反応であるため、燃焼器２９での燃焼が進むと、それ以降は反応熱によって、閾値以上の温度条件にすることができる。このため、燃焼器を加熱するために外部から供給する熱エネルギを低減できる。
In the present embodiment, since the air off-
上記図３に示す燃料電池発電システムにおいて、排ガス処理手段における燃焼器温度は、所定の温度範囲に維持することが望ましい。燃焼器温度が上限値δを超える場合、燃焼器の寿命が低下し、耐久面で著しく性能を損ない、燃焼器温度が下限値γ未満である場合、熱交換器に負荷がかかるからである。そこで、本燃料電池発電システムでは、燃焼器の温度を下限値γ以上、上限値δ以下の範囲に維持するために制御されるが、その制御フローを図４に示す。 In the fuel cell power generation system shown in FIG. 3, it is desirable to maintain the combustor temperature in the exhaust gas treatment means within a predetermined temperature range. This is because when the combustor temperature exceeds the upper limit value δ, the life of the combustor is reduced and the performance is significantly deteriorated in terms of durability, and when the combustor temperature is less than the lower limit value γ, a load is applied to the heat exchanger. Therefore, in this fuel cell power generation system, control is performed to maintain the temperature of the combustor in the range of the lower limit value γ or more and the upper limit value δ or less, and the control flow is shown in FIG.
図４に示すように、定常運転条件時、ステップ２０１では、フラグGが１であるか否かを判定する。
As shown in FIG. 4, it is determined whether or not the flag G is 1 in
G=1の場合に、ステップ２０２に進み、G＝0の場合に、ステップ２０５に進む。 When G = 1, the process proceeds to step 202, and when G = 0, the process proceeds to step 205.
ステップ２０２では、燃焼器温度が上限値δ以下であるか否かを判定し、燃焼器温度が上限値δ以下の場合に、ステップ２０３にてG＝０が入力される。一方、燃焼器温度が上限値δ以上の場合に、ステップ２０４にてバルブ３６を規定開度σ分開けて、G=１が入力され、終了する。
In
ステップ２０５では、燃焼器温度が下限値γ以上であるか否かを判定し、燃焼器温度が下限値γ以上の場合に、ステップ２０６ではG=1が入力され、終了する。一方、燃焼器温度が下限値γ以下の場合に、バルブ３６を規定開度σ分閉めて、G=０が入力され、終了する。
In
上記図４に示す処理により、燃焼器温度を下限値γ以上、上限値δ以下の範囲に維持でき、低流量で高温の排ガスを精製することができる。 By the process shown in FIG. 4, the combustor temperature can be maintained in the range of the lower limit value γ or more and the upper limit value δ or less, and the high-temperature exhaust gas can be purified at a low flow rate.
上記構成の燃料電池発電システム３７では、空気オフガスの空気オフガスバイパス配管３５へのバイパス流量を低下させると、燃焼器への空気オフガス流量が増加して、燃焼ガス量が増加する。
In the fuel cell
パージ水素に対して、酸素流量は過剰であるため、水素はほぼ完全に酸化され、反応熱は水素流量により規定される。このため、空気流量が増加すると、燃焼ガス温度が低下する原因となる。 Since the oxygen flow rate is excessive with respect to purge hydrogen, the hydrogen is almost completely oxidized and the heat of reaction is defined by the hydrogen flow rate. For this reason, when the air flow rate is increased, the combustion gas temperature is lowered.
熱交換器では、一般的に、不凍液等の低温熱源側に熱を移動するとき、熱伝達は熱交換器での滞留時間が長く、低温熱源との温度差が大きいほど、高温熱源の熱交換器出口温度を低くすることができる。本実施形態のように、空気オフガスバイパス配管３５を接続して、熱交換器３０後段で、スタック温度に維持されたバイパス空気オフガスと、熱交換器３０から排出された燃料排ガスとを混合することにより、燃料排ガスの温度を低下することができる。この結果、熱交換器の性能を発揮できる。
Generally, in heat exchangers, when transferring heat to the low-temperature heat source side such as antifreeze liquid, the heat transfer takes longer in the heat exchanger, and the larger the temperature difference from the low-temperature heat source, the higher the heat exchange of the high-temperature heat source. The vessel outlet temperature can be lowered. As in the present embodiment, the air off-
＜第３実施形態（図５）＞
本実施形態では、第２実施形態で示した燃料電池発電システムの水素オフガス排気手段をさらに改良したものである。
<Third Embodiment (FIG. 5)>
In the present embodiment, the hydrogen off-gas exhaust means of the fuel cell power generation system shown in the second embodiment is further improved.
図５は、第３実施形態の燃料電池発電システムを示す構成図である。なお、図３に示した燃料電池発電システムの構成と同一箇所の説明は同一符号を使用してその説明を省略する。 FIG. 5 is a configuration diagram showing the fuel cell power generation system of the third embodiment. In addition, the description of the same location as the structure of the fuel cell power generation system shown in FIG. 3 is abbreviate | omitted using the same code | symbol.
図５に示す燃料電池発電システム３７では、シャット弁２６の後段に、水素ガス循環配管３８を接続して自己熱交換器３９を設置しており、この自己熱交換器３９の排出側の水素ガス循環配管３８を水素ガス供給手段３の熱交換器１２に接続している。また、熱交換器１２排出側に気水分離器４０を設置しており、気水分離器４０に接続された水素ガス循環配管３８は、さらに、自己熱交換器３９に接続して、自己熱交換器３９の後流側は水素オフガス配管２１に連結した構成を有する。
In the fuel cell
上記構成の燃料電池発電システムでは、燃料電池２から排出される水素オフガスを自己熱交換器３９及び熱交換器１２に導入して、水素オフガスの温度を低下させ、水素オフガス温度の低下に伴い生成した凝縮水を予め気水分離器４０によりトラップする。その後、飽和水蒸気分圧の低い水素オフガスを、水素バイパス配管２１を通じて燃焼器２９に流入している。
In the fuel cell power generation system configured as described above, the hydrogen off-gas discharged from the
燃料電池２から排出される水素オフガスは、排出時の温度において、その水蒸気分圧は飽和蒸気圧近傍にある。このため、予め水素オフガス温度を下げて凝縮水をトラップしなければ、水素バイパス配管２１や燃焼器２９にて、水素オフガスの熱量が外部に放熱し、水素オフガスの温度低下に伴い凝縮水が生成するが、本実施形態によれば、自己熱交換器３９及び熱交換器１２により、予め水素オフガス中の水分をトラップしたため、水素バイパス配管での温度低下に伴う凝縮水の生成を回避することができる。
The hydrogen off-gas discharged from the
また、水素バイパス配管や燃焼器で凝縮水が生成すると、水素バイパス配管の目詰まりや触媒活性が低下するが、本実施形態では、凝縮水生成を回避できるため、このような問題が生じない。 In addition, when condensed water is generated in the hydrogen bypass pipe or the combustor, clogging or catalytic activity of the hydrogen bypass pipe is reduced, but in this embodiment, generation of condensed water can be avoided, and thus such a problem does not occur.
さらに、本実施形態では、自己熱交換器を設置して、入と出の水素オフガス自体で熱交換して温度を低下させたため、水素オフガスの凝縮水生成を促進することができる。また、出の飽和水蒸気分圧の水素オフガスを自己熱交換器にて加熱することにより、飽和蒸気圧未満の水蒸気圧の水素オフガスを水素バイパス配管、燃焼器に供給することができる。 Furthermore, in this embodiment, since the self-heat exchanger is installed and heat is exchanged with the incoming and outgoing hydrogen off-gas itself to lower the temperature, the generation of condensed water of the hydrogen off-gas can be promoted. Further, by heating the hydrogen off-gas having a saturated partial pressure of steam with a self-heat exchanger, the hydrogen off-gas having a water vapor pressure less than the saturated vapor pressure can be supplied to the hydrogen bypass pipe and the combustor.
１…燃料電池発電システム,２…燃料電池,３…水素ガス供給手段,４…空気供給手段,５…空気オフガス排気手段,６…水素オフガス排気手段, ７…排ガス処理手段, ８…水素タンク, ９…水素ガス供給配管, １０…シャット弁, １１…減圧弁, １２…熱交換器, １３…減圧弁, １４…エアクリーナ, １５…空気供給配管, １６…コンプレッサ,１７…加湿器, １８…空気オフガス配管, １９…気水分離器, ２０…調圧弁, ２１…水素オフガス配管, ２２…気水分離器, ２３…循環配管, ２４…循環ポンプ, ２５…水素ガスバイパス配管, ２６…シャット弁, ２７…シャット弁, ２８…排ガス配管, ２９…燃焼器, ３０…熱交換器, ３１…水素オフガス濃度検出センサ, ３２…水素オフガス濃度検出センサ,
DESCRIPTION OF
Claims (14)
燃料電池から排出される水素オフガスを排出する水素オフガス配管と、空気オフガスを排出する空気オフガス配管と、前記水素オフガス配管及び空気オフガス配管を統合した排ガス配管と、この排ガス配管に接続された燃焼器と、前記水素オフガス配管及び空気オフガス配管の合流部上流側の水素オフガス配管から分岐して接続され、前記燃焼器の後流側の排ガス配管に接続された水素オフガスバイパス配管と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。 A fuel cell power generation system including a fuel cell that generates electric power using hydrogen gas and oxygen gas in the air as fuel,
Hydrogen off-gas piping for discharging hydrogen off-gas discharged from the fuel cell, air off-gas piping for discharging air off-gas, exhaust gas piping integrating the hydrogen off-gas piping and air off-gas piping, and a combustor connected to the exhaust gas piping And a hydrogen off-gas bypass pipe that is branched and connected from the hydrogen off-gas pipe upstream of the merging portion of the hydrogen off-gas pipe and the air off-gas pipe and connected to the exhaust gas pipe on the downstream side of the combustor. A fuel cell power generation system.
前記第１の混合工程後に、前記混合ガスを燃料器に導入して混合ガス燃焼し、水素オフガス濃度を希釈した燃焼排ガスを排出する燃焼工程と、
前記燃焼工程後に、燃焼排ガスと水素オフガスの残りの一部とを混合する第２の混合工程と、を有することを特徴とする排ガス処理方法。 A first mixing step in which a part of the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell and the air off-gas are mixed to form a mixed gas;
After the first mixing step, a combustion step of introducing the mixed gas into a fuel device, burning the mixed gas, and discharging a combustion exhaust gas diluted with a hydrogen off-gas concentration;
And a second mixing step of mixing the combustion exhaust gas and the remaining part of the hydrogen off-gas after the combustion step.
In the hydrogen offgas concentration determination step, when the hydrogen offgas concentration is higher than a specified threshold, the opening of the variable valve is widened, and when the hydrogen offgas concentration is lower than the specified threshold, the opening of the variable valve is narrowed. The exhaust gas treatment method according to claim 13, wherein the concentration of hydrogen off-gas in the combustion exhaust gas is adjusted.
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