JP2005203194A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素を生成する改質部を備えた燃料電池システムに適用して好適である。 The present invention relates to a fuel cell system, and is particularly suitable for application to a fuel cell system including a reforming unit that generates hydrogen from a hydrocarbon-based fuel using a reforming reaction.
燃料電池を発電装置として用いる場合、燃料電池のアノードに水素を供給する必要がある。アノードに供給する水素を発生させるため、ガソリン、メタノール、天然ガスなどの炭化水素系燃料から改質反応により水素を取り出す方法が知られている。 When using a fuel cell as a power generator, it is necessary to supply hydrogen to the anode of the fuel cell. In order to generate hydrogen to be supplied to the anode, a method is known in which hydrogen is extracted from a hydrocarbon-based fuel such as gasoline, methanol or natural gas by a reforming reaction.
改質反応としては、水蒸気改質反応、部分酸化反応など種々の反応がある。一例として、ガソリンの一成分であるイソオクタン(C8H18)について、その改質反応を以下に示す。 As the reforming reaction, there are various reactions such as a steam reforming reaction and a partial oxidation reaction. As an example, the reforming reaction of isooctane (C 8 H 18 ), which is a gasoline component, is shown below.
C8H18+8H2O → 8CO+17H2 ・・・(1)
C8H18+4O2 → 8CO+9H2 ・・・(2)
C 8 H 18 + 8H 2 O → 8CO + 17H 2 (1)
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (2)
上記(1)式で表される反応は水蒸気改質反応であり、上記(2)式で表される反応は部分酸化反応である。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、部分酸化反応は発熱反応である。通常、これらの改質反応は改質器と呼ばれる反応器内で行われる。これらの改質反応は、いずれか1つを採用することもできるが、双方を同時に1つの改質器内で起こすことも可能である。(1)式、(2)式で表されるように、水蒸気改質反応は水を供給することで、部分酸化反応は酸素を供給することで促進される。 The reaction represented by the above formula (1) is a steam reforming reaction, and the reaction represented by the above formula (2) is a partial oxidation reaction. The steam reforming reaction is an endothermic reaction, and the partial oxidation reaction is an exothermic reaction. Usually, these reforming reactions are performed in a reactor called a reformer. Any one of these reforming reactions can be employed, but both can occur simultaneously in one reformer. As represented by the formulas (1) and (2), the steam reforming reaction is promoted by supplying water, and the partial oxidation reaction is promoted by supplying oxygen.
水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を起こすためには外部から熱を供給する必要がある。このため、燃料(イソオクタン)と空気を改質器の燃焼バーナに供給し、燃焼バーナの熱を与えて水蒸気改質反応を発生させる方法が知られている。 Since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat from the outside in order to cause the reaction. For this reason, a method is known in which fuel (isooctane) and air are supplied to a combustion burner of a reformer, and heat of the combustion burner is applied to generate a steam reforming reaction.
このような改質反応を利用したシステムにおいて、特開2003−217603号公報には、電力需要が高い場合に、燃料電池のアノードオフガスを改質器の燃焼バーナに供給する技術が開示されている。 In a system using such a reforming reaction, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-217603 discloses a technique for supplying an anode off-gas of a fuel cell to a combustion burner of a reformer when power demand is high. .
しかしながら、アノードオフガスを改質器の燃焼バーナに供給すると、燃焼バーナにおける燃焼が過剰となり、改質器が過度に加熱されてしまうという問題が生じる。 However, when the anode off gas is supplied to the combustion burner of the reformer, there is a problem that combustion in the combustion burner becomes excessive and the reformer is excessively heated.
改質器内部には改質反応を促進するための触媒が備えられている。改質器が過度に加熱されると、シンタリング等により触媒が劣化し、所望の改質性能を得ることができなくなる。そして、改質性能の劣化によりアノードに供給する改質ガスが十分に得られなくなると、燃料電池に所望の性能を発揮させることが困難となる。更に、過剰燃焼により改質器が溶損した場合なども、所望の改質性能を得ることが困難となる。 A catalyst for promoting the reforming reaction is provided inside the reformer. If the reformer is heated excessively, the catalyst deteriorates due to sintering or the like, and the desired reforming performance cannot be obtained. If the reformed gas supplied to the anode cannot be sufficiently obtained due to the deterioration of the reforming performance, it becomes difficult for the fuel cell to exhibit the desired performance. Furthermore, it is difficult to obtain a desired reforming performance even when the reformer is melted by excessive combustion.
特に、アノードオフガスは高温状態にあり、また、アノードで反応しなかった改質ガス中の水素を含むため、多量のアノードオフガスが燃焼バーナに供給されると、過剰燃焼がより発生し易い状態となる。 In particular, the anode off gas is in a high temperature state, and contains hydrogen in the reformed gas that has not reacted at the anode, and therefore, when a large amount of anode off gas is supplied to the combustion burner, excessive combustion is more likely to occur. Become.
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、改質反応のための燃焼を最適に制御し、改質性能の劣化を抑止することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to optimally control the combustion for the reforming reaction and suppress the deterioration of the reforming performance.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、炭化水素系燃料の供給を受け、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、前記アノードから排出されるアノードオフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用燃料として供給するアノードオフガス供給手段と、前記アノードオフガスの供給を制御するアノードオフガス制御手段と、を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention is characterized by receiving a hydrocarbon-based fuel and generating a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction, and supplying the reformed gas to an anode. A fuel cell that generates power by receiving supply of an oxidizing gas containing oxygen to the cathode, and an anode that supplies anode off-gas discharged from the anode as combustion fuel for causing the reforming reaction An off gas supply means and an anode off gas control means for controlling the supply of the anode off gas are provided.
第2の発明は、第1の発明において、前記アノードオフガス制御手段は、前記アノードオフガスの経路に設けられた、前記アノードオフガスの流量を制御する制御弁を含むことを特徴とする。 According to a second aspect, in the first aspect, the anode off-gas control means includes a control valve that is provided in a path of the anode off-gas and controls a flow rate of the anode off-gas.
第3の発明は、第1の発明において、前記アノードオフガス制御手段は、前記アノードオフガス中に含まれる水素を分離する水素分離膜と、前記水素分離膜の一方の側に前記アノードオフガスを供給する手段と、前記水素分離膜の他方の側にパージガスを供給する手段と、前記パージガスの流量を制御する手段と、を含むことを特徴とする。 In a third aspect based on the first aspect, the anode off-gas control means supplies a hydrogen separation membrane for separating hydrogen contained in the anode off-gas, and supplies the anode off-gas to one side of the hydrogen separation membrane. Means, means for supplying a purge gas to the other side of the hydrogen separation membrane, and means for controlling the flow rate of the purge gas.
第4の発明は、第3の発明において、前記パージガスは、前記燃焼用燃料の燃焼による排出ガス、前記カソードから排出されるカソードオフガス、又は前記燃料電池を冷却して排出された冷却オフガスであることを特徴とする。 In a fourth aspect based on the third aspect, the purge gas is an exhaust gas generated by combustion of the combustion fuel, a cathode off-gas discharged from the cathode, or a cooling off-gas discharged after cooling the fuel cell. It is characterized by that.
第5の発明は、上記の目的を達成するため、炭化水素系燃料の供給を受け、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、前記アノードから排出されるアノードオフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用燃料として供給するアノードオフガス供給手段と、前記燃料電池に冷却用ガスを供給する冷却用ガス供給手段と、前記燃料電池を冷却して排出された冷却オフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用空気として供給する冷却オフガス供給手段と、を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a fifth aspect of the invention provides a reforming unit that receives supply of hydrocarbon fuel and generates reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction, and supplies the reformed gas to the anode. A fuel cell that generates power by receiving supply of an oxidizing gas containing oxygen to the cathode, and an anode that supplies anode off-gas discharged from the anode as combustion fuel for causing the reforming reaction Supply off gas supply means, cooling gas supply means for supplying cooling gas to the fuel cell, and cooling off gas discharged after cooling the fuel cell as combustion air for causing the reforming reaction And a cooling off-gas supply means.
第6の発明は、第5の発明において、前記冷却オフガスの供給量を制御する冷却オフガス供給量制御手段を更に備えたことを特徴とする。 According to a sixth aspect, in the fifth aspect, the apparatus further comprises a cooling off gas supply amount control means for controlling the supply amount of the cooling off gas.
第7の発明は、第5又は第6の発明において、前記アノードオフガスの供給を制御するアノードオフガス制御手段を更に備えたことを特徴とする。 A seventh invention is characterized in that, in the fifth or sixth invention, anode offgas control means for controlling supply of the anode offgas is further provided.
第1の発明によれば、アノードオフガスの供給を制御することができるため、改質反応を生じさせるための燃焼量を最適に制御することが可能となり、この結果、常に最適な改質反応を行うことが可能となる。また、アノードオフガスの供給量を制御することで、改質部が過度に加熱されてしまうことを抑えることができ、改質性能の劣化を抑止することができる。従って、燃料電池システムの信頼性を高めることが可能となる。 According to the first invention, since the supply of the anode off gas can be controlled, it is possible to optimally control the amount of combustion for causing the reforming reaction. As a result, the optimum reforming reaction is always performed. Can be done. Further, by controlling the supply amount of the anode off gas, it is possible to suppress the reforming section from being heated excessively, and it is possible to suppress the deterioration of the reforming performance. Therefore, it is possible to improve the reliability of the fuel cell system.
第2の発明によれば、アノードオフガスの経路にアノードオフガスの流量を制御する制御弁を設けることで、アノードオフガスの供給量を確実に制御することができる。 According to the second aspect of the invention, the supply amount of the anode off gas can be reliably controlled by providing the control valve for controlling the flow rate of the anode off gas in the anode off gas path.
第3の発明によれば、水素分離膜の一方の側にアノードオフガスを供給し、水素分離膜の他方の側に供給するパージガスの流量を制御するようにしたため、アノードオフガス中に含まれる水素が水素分離膜によって分離される量を可変することができる。従って、アノードオフガス中の水素の量を制御することができ、改質反応を生じさせるための燃焼量を最適に制御することが可能となる。また、アノードオフガス中の水素量を制御することで、改質部が過度に加熱されてしまうことを抑えることができ、改質性能の劣化を抑止することができる。従って、燃料電池システムの信頼性を高めることが可能となる。 According to the third aspect of the invention, the anode off gas is supplied to one side of the hydrogen separation membrane and the flow rate of the purge gas supplied to the other side of the hydrogen separation membrane is controlled, so that the hydrogen contained in the anode off gas is reduced. The amount separated by the hydrogen separation membrane can be varied. Therefore, the amount of hydrogen in the anode off gas can be controlled, and the amount of combustion for causing the reforming reaction can be optimally controlled. Further, by controlling the amount of hydrogen in the anode off-gas, it is possible to prevent the reforming section from being heated excessively, and it is possible to suppress degradation of reforming performance. Therefore, it is possible to improve the reliability of the fuel cell system.
第4の発明によれば、燃焼用燃料の燃焼による排出ガス、燃料電池のカソードオフガス、又は燃料電池の冷却オフガスをパージガスとして用いることで、システム内のガスを有効利用してアノードオフガス中の水素量を制御することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the exhaust gas from combustion of the combustion fuel, the cathode off-gas of the fuel cell, or the cooling off-gas of the fuel cell is used as the purge gas. The amount can be controlled.
第5の発明によれば、冷却オフガスを燃焼用空気として用いることができるため、燃焼用空気を送るためのポンプ、配管等の設備が不要となる。従って、システム内の補機損失を最小限に抑えることができ、燃料電池システム全体の効率を高めることが可能となる。 According to the fifth aspect, since the cooling off gas can be used as combustion air, facilities such as a pump and piping for sending the combustion air become unnecessary. Accordingly, it is possible to minimize the loss of auxiliary equipment in the system, and it is possible to increase the efficiency of the entire fuel cell system.
第6の発明によれば、冷却オフガスの供給量を制御することができるため、改質反応のための燃焼の際に空燃比を最適に保つことができ、燃焼状態を最適に制御することが可能となる。従って、常に最適な改質反応を行うことが可能となり、また、燃焼の排気ガスのエミッションを向上させることも可能となる。 According to the sixth aspect of the invention, since the supply amount of the cooling off gas can be controlled, the air-fuel ratio can be optimally maintained during the combustion for the reforming reaction, and the combustion state can be optimally controlled. It becomes possible. Therefore, it is possible to always perform an optimal reforming reaction, and it is possible to improve the emission of combustion exhaust gas.
第7の発明によれば、アノードオフガスの供給を制御することができるため、改質反応を生じさせるための燃焼量を最適に制御することが可能となり、結果として常に最適な改質反応を行うことが可能となる。これにより、改質部が過度に加熱されてしまうことを抑えることができ、改質性能の劣化を抑止することが可能となる。 According to the seventh aspect of the invention, the supply of the anode off gas can be controlled, so that the amount of combustion for causing the reforming reaction can be optimally controlled, and as a result, the optimum reforming reaction is always performed. It becomes possible. Thereby, it can suppress that a reforming part is heated too much, and it becomes possible to suppress degradation of reforming performance.
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる燃料電池システム10の構成を示す模式図である。燃料電池システム10は、主として、炭化水素系燃料、水、空気を原料として、水素リッチな燃料ガス(改質ガス)を生成する外部加熱可能な熱交換型の改質器12と、改質ガスを燃料とし、空気を酸化ガスとして用いて、電力を発生する燃料電池14とを有している。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a
燃料電池14は、発電を行う際に水(水蒸気)を生成する種類のものであればよく、具体的には、固体高分子型(PEM)、固体電解質型(SOFC)、リン酸型(PAFC)、水素分離膜型等の燃料電池である。例えば固体高分子型を例に挙げると、燃料電池14は、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、燃料ガス(改質ガス)および酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。
The
改質器12は、その機能上から、上記(1)式、(2)式で表される改質反応を生じさせる改質側と、(1)式で表される水蒸気改質反応を行うための熱を供給する燃焼側とに分けることができる。改質側には、燃料としてイソオクタン(C8H18)を一成分とするガソリンが供給される。また、改質側には水蒸気と空気(酸素)が供給される。そして、改質側に供給されたこれらのガソリン、水蒸気、空気から、上記(1)式、(2)式で表される改質反応が行われる。なお、改質側へ送る燃料としては、天然ガスなどの他の炭化水素燃料やアルコールなどの含酸素燃料など、種々の炭化水素系燃料を用いることもできる。また、その他、エーテル、アルデヒドなどを燃料として用いることもできる。
In view of its function, the
改質反応を促進するため、改質側には改質用触媒が備えられている。ガソリンや天然ガスを原料とする場合には、例えばニッケル触媒やロジウム貴金属を改質用触媒として用いることができ、メタノールを原料とする場合には、CuO−ZnO系触媒、Cu−ZnO系触媒などが有効であることが知られている。 In order to promote the reforming reaction, a reforming catalyst is provided on the reforming side. When gasoline or natural gas is used as a raw material, for example, a nickel catalyst or rhodium noble metal can be used as a reforming catalyst. When methanol is used as a raw material, a CuO—ZnO catalyst, a Cu—ZnO catalyst, etc. Is known to be effective.
改質反応により生成された水素リッチな改質ガスは、改質ガス流路15を通って燃料電池14のアノードに供給される。一方、燃料電池14のカソードには、酸化ガスとしての空気(カソードガス)が供給される。燃料電池14のアノードでは、改質ガスが送り込まれると、この改質ガス中の水素から水素イオンを生成し(H2→2H++2e−)、カソードは、酸化ガスが送り込まれると、この酸化ガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池14内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される((1/2)O2+2H++2e−→H2O)。この水のほとんどは、燃料電池14内で発生する熱を吸収して水蒸気として生成される。
The hydrogen-rich reformed gas generated by the reforming reaction is supplied to the anode of the
燃料電池14のアノードは、アノードオフガス流路16によって改質器12の燃焼側と接続されており、燃料電池14に送られた改質ガスのうち、アノードで反応しなかった水素を含むアノードオフガスが改質器12の燃焼側に供給される。また、燃焼側には、燃焼用の空気が供給される。燃焼側には白金(Pt)等の触媒が備えられており、アノードオフガス中に残存する水素、メタン、一酸化炭素等の可燃性ガスと、燃焼用の空気中の酸素により発熱反応が行われる。これにより、燃焼側において、水蒸気改質反応を行うための熱が発生される。
The anode of the
なお、改質器12の燃焼側は、改質器12とは別に設けた燃焼器を含む構成としても良い。この場合、アノードオフガスと燃焼用の空気を燃焼器で燃焼させ、燃焼器から排出された高温の燃焼ガスにより水蒸気改質反応を行うための熱を供給する。
Note that the combustion side of the
このように、改質器12の燃焼側から熱を供給することで、改質側に送られたガソリン、水蒸気、空気(酸素)が反応し、上記(1)式、(2)式で示した水蒸気改質反応と部分酸化反応が併せて起こり、改質用触媒がそれらの反応を促進して、水素リッチな改質ガスが生成される。本実施形態の燃料電池システム10では、アノードオフガス中に残存する未反応の水素を含む可燃性ガスを燃焼させて改質側への熱の供給に利用できるため、システム全体の効率を高めることができる。
In this way, by supplying heat from the combustion side of the
図1に示すように、アノードオフガス流路16には三方弁18が設けられている。三方弁18は、改質器12へ供給するアノードオフガスを分配し、適量を排気する機能を有している。従って、三方弁18によりアノードオフガスの分配量を可変することで、改質器12の燃焼側に供給するアノードオフガスの量を調整することができる。これにより、燃焼側に供給する水素を含む可燃性ガス量を調整することができるため、燃焼側における燃焼状態を最適に制御することが可能となる。また、改質側の反応は燃焼側の燃焼状態に依存するため、燃焼状態を制御することで、改質側の反応も常に最適な状態に保つことが可能となる。
As shown in FIG. 1, a three-way valve 18 is provided in the anode off
アノードオフガス量の調整は、改質器12の温度、改質側で発生した改質ガスの量、燃料電池14で発生する電力量、などに基づいて行うことが好適である。これにより、燃焼側における燃焼状態を最適な状態に制御することができる。
Adjustment of the anode off-gas amount is preferably performed based on the temperature of the
なお、三方弁18から排気したアノードオフガス中の水素は、燃焼器等で燃焼させた後に外部に排出することが望ましい。また、アノードオフガスの排気を抑えるため、三方弁18の代わりに、開口径を可変することで排気を行わずにアノードオフガス流量を制御する制御弁を設けても良い。 It is desirable that the hydrogen in the anode off-gas exhausted from the three-way valve 18 is discharged outside after being combusted by a combustor or the like. In order to suppress the exhaust of the anode off gas, a control valve for controlling the anode off gas flow rate without changing the opening diameter by changing the opening diameter may be provided instead of the three-way valve 18.
燃焼側へのアノードオフガスの供給が過剰になると、燃焼側における燃焼が過剰となり、改質器12が過度に加熱されてしまう場合がある。本実施形態では、三方弁18により改質器12へ供給するアノードオフガス量を調整することができるため、アノードオフガスの供給過剰により改質器12が過度に加熱されてしまうことを確実に抑えることが可能である。
If the supply of anode off gas to the combustion side becomes excessive, combustion on the combustion side becomes excessive and the
また、始動時、過渡運転時など、より多くの改質ガスを発生させる必要がある場合は、三方弁18を制御して燃焼側へ送るアノードオフガス量を増加させる。これにより、燃焼側の燃焼量を増大させて、改質側における水蒸気改質反応を促進することができ、水素リッチな改質ガスを最大限に生成することができる。更に多量の改質ガスを発生させる場合は、改質側へ供給する燃料の一部を燃焼側に供給し、燃焼側における熱発生量を更に増加させることが好適である。 In addition, when it is necessary to generate more reformed gas at the time of start-up or transient operation, the three-way valve 18 is controlled to increase the amount of anode off-gas sent to the combustion side. Thereby, the combustion amount on the combustion side can be increased, the steam reforming reaction on the reforming side can be promoted, and the hydrogen-rich reformed gas can be generated to the maximum extent. When a larger amount of reformed gas is generated, it is preferable to supply a part of the fuel supplied to the reforming side to the combustion side and further increase the heat generation amount on the combustion side.
以上説明したように実施の形態1によれば、アノードオフガス流路16に三方弁18を設けたため、改質器12の燃焼側へ送るアノードオフガス量を調整して燃焼側における燃焼量を最適に制御することができる。これにより、燃焼側における加熱量と改質側の反応を常に最適に保つことが可能となる。また、燃焼側へのアノードオフガスの供給量を制御することで、改質器12が過度に加熱されてしまうことを抑えることができ、改質性能の劣化を抑止することができる。従って、燃料電池システムの信頼性を高めることが可能となる。
As described above, according to the first embodiment, since the three-way valve 18 is provided in the anode off
実施の形態2.
次に、本発明の実施の形態2について説明する。実施の形態2は、実施の形態1と同様に、改質器12へのアノードオフガスの供給量を制御するものであるが、制御の方法が実施の形態1と相違する。燃料電池システムの基本的な構成は実施の形態1と同様である。
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment controls the supply amount of the anode off gas to the
図2は、実施の形態2にかかる燃料電池システム10の構成を示す模式図である。図2に示すように、実施の形態2では、アノードオフガス流路16に水素分離膜20を設けており、水素分離膜20の一方の側にアノードオフガスを供給するようにしている。水素分離膜20は水素のみを選択的に透過させる性質を有している。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of the
図3は、水素分離膜20の構成と機能を示す模式図である。ここで、図3(A)は水素分離膜20の斜視図を、図3(B)は水素分離膜20の断面図を示している。図3(A)及び図3(B)に示すように、水素分離膜20は、バナジウム(V)膜の両面にパラジウム(Pd)膜が積層されて構成されている。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration and function of the
図3(A)に示すように、アノードオフガスを水素分離膜20の一方の側に流すと、アノードオフガス中の水素(H2)が乖離して水素分離膜20を透過し、水素分離膜20の反対側に到達する。一方、アノードオフガス中の他の成分(H2O、CO、CO2等)は水素分離膜20を透過しない。従って、水素分離膜20の一方の側にアノードオフガスを流すことで、アノードオフガス中の水素を選択的に分離することがきる。
As shown in FIG. 3A, when the anode off-gas is caused to flow to one side of the
ここで、水素分離膜20を透過する水素の量は、水素分離膜20の両側における水素の分圧に依存し、分圧の差が大きい程、水素分離膜20を透過する水素の量は多くなる。このため、より多くの水素を水素分離膜20に透過させるためには、水素分離膜20を透過して反対側に到達した水素を逐次取り除き、透過した水素の分圧を低下させることが望ましい。
Here, the amount of hydrogen that permeates the
このため、図3(B)に示すように、水素分離膜20の一方の側にアノードオフガスを流すとともに、他方の側には透過した水素をパージするためのパージガスを流すようにする。これにより、水素分離膜20の両側における水素分圧の差が大きくなり、より多くの水素を水素分離膜20に透過させることができる。
For this reason, as shown in FIG. 3B, the anode off gas is allowed to flow on one side of the
また、パージガスの流量を減らすと、パージされる水素量が減少するため、水素分離膜20の両側における水素の分圧の差が小さくなり、水素分離膜20を透過する水素量を減少させることができる。従って、パージガスの量を調整することで、アノードオフガスから選択的に分離させる水素量を可変することができる。
Further, when the flow rate of the purge gas is decreased, the amount of hydrogen to be purged is reduced, so that the difference in partial pressure of hydrogen on both sides of the
本実施形態では、パージガスとして、改質器12の燃焼側から排出された燃焼側排気ガスを利用している。このため、図2に示すように、燃焼側排気ガスを水素分離膜20に送るための燃焼側排気ガス流路22を設けている。そして、アノードオフガス流路16から水素分離膜20の一方の側にアノードオフガスを流すとともに、燃焼側排気ガス流路22から水素分離膜20の他方の側に燃焼側排気ガスを流すようにしている。
In the present embodiment, the combustion side exhaust gas discharged from the combustion side of the
燃焼側排気ガス流路22には三方弁24が設けられている。三方弁24は、燃焼側排気ガスを分配し、適量を排気する。従って、三方弁24によって水素分離膜20に流す燃焼側排気ガスの流量を可変することで、アノードオフガスから分離する水素量を最適に制御することが可能となる。これにより、アノードオフガス流路16から改質器12の燃焼側へ送られる水素量を可変することができる。
A three-way valve 24 is provided in the combustion side
従って、改質器12の燃焼側へ供給する水素量を調整することができ、燃焼側における燃焼状態を最適に制御することが可能となる。これにより、燃焼側における加熱量と改質側の反応を常に最適に保つことが可能となる。そして、燃焼側へ供給する水素量を最適に制御することで、水素の供給過剰により改質器12が過度に加熱されてしまうことを確実に抑えることが可能となる。
Therefore, the amount of hydrogen supplied to the combustion side of the
また、より多くの改質ガスを発生させる必要がある場合は、三方弁24を制御して水素分離膜20へ送る燃焼側排気ガス量を減少させることで、水素分離膜20を透過する水素量を減少させることができ、改質器12の燃焼側へより多くの水素を供給することができる。従って、水蒸気改質反応を促進することができ、水素リッチな改質ガスを最大限に生成することができる。
Further, when it is necessary to generate more reformed gas, the amount of hydrogen permeating the
アノードオフガス中の水素量の調整は、改質器12の温度、改質側で発生した改質ガスの量、燃料電池14で発生する電力量、などに基づいて行うことが好適である。これにより、燃焼側における燃焼状態を最適な状態に制御することができる。
The amount of hydrogen in the anode off-gas is preferably adjusted based on the temperature of the
なお、水素分離膜20へ供給するパージガスとして、燃焼側排気ガス以外のガスを用いることも可能である。例えば、カソードオフガス、燃料電池14の冷却オフガス等、システム内を流れる各種ガスをパージガスとして用いることができる。また、改質側へ供給する水蒸気の一部を分岐させてパージガスとして用いてもよい。
In addition, as the purge gas supplied to the
好適には、パージガスとして、酸素(O2)を含むガスを用いることが望ましい。酸素を含有したパージガスを用いると、水素分離膜20を透過した水素とパージガス中の酸素が反応して水が生成されるため、パージガスを流している側の水素濃度を常に低く保つことが可能となる。これにより、水素分離膜20に水素が非常に透過し易い状態となり、水素分離膜20の面積を最小限に抑えることも可能となる。
Preferably, a gas containing oxygen (O 2 ) is used as the purge gas. When a purge gas containing oxygen is used, hydrogen that has passed through the
また、酸素を含有したパージガスを用いた場合、パージガス中の酸素量を検出しておくことで、水素分離膜20を透過して酸素と結合する水素の量を求めることが可能となる。従って、例えば、上述のように燃焼側排気ガスをパージガスとした場合、酸素センサにより燃焼側排気ガス中に残存する酸素量を検出し、この酸素量を制御することでアノードオフガスから分離する水素量を制御することができ、燃焼側に供給する水素量を制御することが可能となる。
When a purge gas containing oxygen is used, it is possible to determine the amount of hydrogen that passes through the
以上説明したように実施の形態2によれば、水素分離膜20へ送るパージガスの量を調整することで、改質器12の燃焼側へ送られるアノードオフガス中の水素量を最適に制御することができる。従って、改質器12の燃焼側における燃焼量を最適に制御することができ、燃焼側における加熱量と改質側の反応を常に最適に保つことが可能となる。また、アノードオフガス中の水素量を最適に制御することで、改質器12が過度に加熱されてしまうことを抑えることができ、改質性能の劣化を抑止することができる。従って、燃料電池システムの信頼性を高めることが可能となる。
As described above, according to the second embodiment, the amount of hydrogen in the anode off-gas sent to the combustion side of the
実施の形態3.
次に、本発明の実施の形態3について説明する。図4は、実施の形態3にかかる燃料電池システム10の構成を示す模式図である。実施の形態3の燃料電池システム10の基本的な構成は実施の形態1と同様であり、アノードオフガスを改質器12の燃焼側へ供給するため、アノードオフガス流路16を設けている。
Embodiment 3 FIG.
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration of the
燃料電池14では、電力を発生する際の反応によって熱が発生する。本実施形態の燃料電池システム10は、冷却用エアポンプ25を備えており、冷却用エアポンプ25から燃料電池14に冷却用ガスを送ることで、空冷により燃料電池14を冷却するようにしている。
In the
燃料電池14と改質器12の燃焼側は、冷却オフガス流路26によって接続されている。燃料電池14を冷却した後の冷却用ガス(冷却オフガス)は、冷却オフガス流路26を通って改質器12の燃焼側へ供給される。そして、改質器12の燃焼側において、冷却オフガス中の酸素とアノードオフガス中に残存する未反応の水素を含む可燃性ガスとを反応させて、水蒸気改質反応を起こすための熱を発生させるようにしている。
The combustion side of the
これにより、改質器12の燃焼側に新たに燃焼用空気を送る必要がなくなり、燃焼用空気を送るためのポンプ、配管等の設備が不要となる。従って、冷却用ガスを送るためのポンプと燃焼用空気を送るためのポンプを共通化することができ、システム内の補機損失を最小限に抑えることができる。また、燃料電池14の排熱を改質器12の燃焼側で有効利用することができ、燃焼側での燃焼を促進することができる。従って、燃料電池システム全体の効率を高めることが可能となる。
This eliminates the need to send new combustion air to the combustion side of the
以上説明したように実施の形態3によれば、冷却オフガスを燃焼側の燃焼用空気として用いることで、冷却オフガスを有効利用することができ、システム内の損失を最小限に抑えることができる。従って、燃料電池システムの効率をより向上させることが可能となる。 As described above, according to the third embodiment, by using the cooling off gas as combustion air on the combustion side, the cooling off gas can be used effectively, and the loss in the system can be minimized. Therefore, the efficiency of the fuel cell system can be further improved.
実施の形態4.
次に、本発明の実施の形態4について説明する。図5は、本発明の実施の形態4にかかる燃料電池システム10の構成を示す模式図である。実施の形態4は、実施の形態3のシステムにおいて、冷却オフガス流路26に三方弁28を設けたものである。
Embodiment 4 FIG.
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the
冷却オフガス流路26に三方弁28を設けたことにより、三方弁28で冷却オフガスを排気、分配することができ、改質器12の燃焼側へ送る冷却オフガス量を制御することができる。これにより、改質器12の燃焼側において、燃焼の際の空燃比を可変することができ、燃焼側での燃焼状態を最適な状態に保つことが可能となる。従って、改質器12が過度に加熱されてしまうことを抑えることができる。また、燃焼側での空燃比を最適な状態に保つことで、燃焼側排気ガスのエミッションを向上させることができる。これにより、ハイドロカーボン、窒素酸化物等の排出を抑えることが可能となる。
By providing the three-
冷却オフガス量の調整は、改質器12の温度、改質側の空燃比、改質側で発生した改質ガスの量、燃料電池14で発生する電力量、などに基づいて行うことが好適である。これにより、燃焼側における燃焼状態を最適な状態に制御することができる。
The adjustment of the cooling off-gas amount is preferably performed based on the temperature of the
以上説明したように実施の形態4によれば、三方弁28により燃焼側へ送る冷却オフガスの量を可変できるようにしたため、改質器12の燃焼側における空燃比を最適に保つことが可能となり、改質器12の燃焼状態を最適に制御することができる。従って、燃焼側における加熱量と改質側の反応を常に最適に保つことが可能となる。また、燃焼側における空燃比を最適に制御することで、燃焼側排気ガスのエミッションを向上させることが可能となる。
As described above, according to the fourth embodiment, since the amount of the cooling off gas sent to the combustion side can be varied by the three-
なお、実施の形態3,4において、改質器12の燃焼側へ送るアノードオフガス量を制御するため、実施の形態1,2と同様に、アノードオフガス流路16に三方弁18または水素分離膜20を設けても良い。
In the third and fourth embodiments, in order to control the amount of anode off-gas sent to the combustion side of the
10 燃料電池システム
12 改質器
14 燃料電池
16 アノードオフガス流路
18,24,28 三方弁
20 水素分離膜
22 燃焼側排気ガス流路
25 冷却用エアポンプ
26 冷却オフガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (7)
アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用燃料として供給するアノードオフガス供給手段と、
前記アノードオフガスの供給を制御するアノードオフガス制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A reforming section that receives supply of hydrocarbon fuel and generates reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction;
A fuel cell that receives the supply of the reformed gas at the anode and receives an oxidizing gas containing oxygen at the cathode to generate electric power;
Anode off gas supply means for supplying anode off gas discharged from the anode as combustion fuel for causing the reforming reaction;
Anode offgas control means for controlling the supply of the anode offgas;
A fuel cell system comprising:
前記アノードオフガス中に含まれる水素を分離する水素分離膜と、
前記水素分離膜の一方の側に前記アノードオフガスを供給する手段と、
前記水素分離膜の他方の側にパージガスを供給する手段と、
前記パージガスの流量を制御する手段と、
を含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 The anode off gas control means includes:
A hydrogen separation membrane for separating hydrogen contained in the anode offgas;
Means for supplying the anode off gas to one side of the hydrogen separation membrane;
Means for supplying a purge gas to the other side of the hydrogen separation membrane;
Means for controlling the flow rate of the purge gas;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用燃料として供給するアノードオフガス供給手段と、
前記燃料電池に冷却用ガスを供給する冷却用ガス供給手段と、
前記燃料電池を冷却して排出された冷却オフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用空気として供給する冷却オフガス供給手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A reforming section that receives supply of hydrocarbon fuel and generates reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction;
A fuel cell that receives the supply of the reformed gas at the anode and receives an oxidizing gas containing oxygen at the cathode to generate electric power;
Anode off gas supply means for supplying anode off gas discharged from the anode as combustion fuel for causing the reforming reaction;
A cooling gas supply means for supplying a cooling gas to the fuel cell;
A cooling off-gas supply means for supplying cooling off-gas discharged after cooling the fuel cell as combustion air for causing the reforming reaction;
A fuel cell system comprising:
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2004
- 2004-01-14 JP JP2004007108A patent/JP2005203194A/en active Pending
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