JP2005228583A - Fuel cell power generation system and starting method of fuel cell power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの起動方法に関し、特に燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの起動方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation system start-up method, and more particularly to a fuel cell that can preheat a fuel cell together with a fuel processing device to a predetermined temperature before the start of power generation and has a short start-up time. The present invention relates to a power generation system and a method for starting a fuel cell power generation system.
都市ガス、LPG、消化ガス、メタノール、GTLや灯油のような原料燃料を燃料処理装置により水素に富む燃料ガスを生成し燃料電池の燃料極に供給すると共に、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の空気極に供給して電気化学的反応により発電する燃料電池発電システムや、燃料電池発電電力と燃料電池の発電排熱等の排熱を熱エネルギーとして回収して供給する燃料電池コージェネレーションシステム等では、システムが起動し発電を開始するまでの時間あるいは定格発電達成までに要する時間、すなわちシステム起動時間はシステムの経済性や利便性にとって重要である。 Source gas such as city gas, LPG, digestion gas, methanol, GTL and kerosene is generated by a fuel processing device and is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and an oxidant gas containing oxygen such as air A fuel cell power generation system that generates electricity through an electrochemical reaction by supplying to the air electrode of a fuel cell, or a fuel cell cogeneration system that collects and supplies exhaust heat such as fuel cell power and fuel cell exhaust heat as heat energy In a generation system or the like, the time required to start power generation after the system is started or the time required to achieve rated power generation, that is, the system startup time is important for the economics and convenience of the system.
従来の燃料電池発電システムでは、用いる原料燃料が水素ガス以外で燃料処理装置を必要とする燃料電池発電システムの起動方法として、例えば、原料燃料を燃焼して燃料処理装置の改質部を所定の温度に加熱し、次いで原料燃料を改質部に導入して改質ガスを生成し、生成した改質ガスを一酸化炭素低減部に導いて一酸化炭素低減部を加熱し、一酸化炭素低減部を出た一酸化炭素低減ガスを燃焼燃料として燃焼部に導いて燃焼し、そして一酸化炭素低減部の温度が所定の温度に到達し一酸化炭素低減ガスの一酸化炭素濃度が十分に低下してから、かかる一酸化炭素低減ガスを燃料ガスとして燃料電池に供給して発電を開始し、発電発熱により燃料電池を所定の温度に上昇させるのが一般的である。 In a conventional fuel cell power generation system, as a starting method of a fuel cell power generation system that requires a fuel processing device other than hydrogen gas as a raw material fuel to be used, for example, a reforming portion of the fuel processing device is set in a predetermined manner by burning raw material fuel Heat to temperature, then introduce raw material fuel into the reforming section to generate reformed gas, guide the generated reformed gas to the carbon monoxide reducing section and heat the carbon monoxide reducing section to reduce carbon monoxide The carbon monoxide reducing gas exiting the section is led to the combustion section as combustion fuel and burned, and the temperature of the carbon monoxide reducing section reaches a predetermined temperature and the carbon monoxide concentration of the carbon monoxide reducing gas sufficiently decreases Thereafter, the carbon monoxide reducing gas is supplied to the fuel cell as a fuel gas to start power generation, and the fuel cell is generally raised to a predetermined temperature by heat generation.
しかしながら、従来の燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの起動方法では、例えば、起動時間を短縮すべく改質ガスの流量を増やすと、一酸化炭素低減ガスの流量が増大し、よって燃焼部における燃焼量が増大し、その結果改質部の温度が過上昇し改質触媒の劣化を招くため、充分に起動時間を短縮することができなかった。 However, in the conventional fuel cell power generation system and the method for starting the fuel cell power generation system, for example, if the flow rate of the reformed gas is increased in order to shorten the startup time, the flow rate of the carbon monoxide reduced gas increases, so that Since the amount of combustion increases and as a result, the temperature of the reforming section excessively rises and the reforming catalyst is deteriorated, the start-up time cannot be shortened sufficiently.
そこで本発明は、燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの起動方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation system startup method that can preheat a fuel cell together with a fuel processing apparatus to a predetermined temperature before power generation starts, and that the startup time of the fuel cell system is short. For the purpose.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図1に示すように、燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池30と;発生した水を回収水42aとして回収し貯留する貯留装置71と;原料燃料4aと、回収水42a又は空気とを供給して原料燃料4aを改質し、改質ガスを生成する改質部9と、改質部9の周囲に形成され熱交換をする熱交換部12と、改質部9を加熱する加熱部8と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガス3aを生成する一酸化炭素低減部14とを有する燃料処理装置7と;回収水42aと燃料電池30を予熱する予熱用水24aとの熱交換を行う予熱用水加熱器130と;貯留装置71から、熱交換部12と、予熱用水加熱器130と、貯留装置71に至る回収水42aの回収水循環流路と;燃料電池30から、予熱用水加熱器130と、燃料電池30に至る予熱用水24aの予熱用水循環流路とを備えるように構成されている。
In order to achieve the above object, the fuel cell power generation system according to the first aspect of the present invention generates water by generating an electrochemical reaction between the
このように構成すると、貯留装置から、熱交換部と、予熱用水加熱器と、貯留装置に至る回収水の回収水循環流路と、燃料電池から、予熱用水加熱器と、燃料電池に至る予熱用水の予熱用水循環流路とを備え、改質部が回収水で冷却され過上昇せず、熱交換部を通過した回収水と、燃料電池を予熱する予熱用水とが熱交換を行うので、燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システムを提供することができる。 If comprised in this way, the heat exchange part, the preheating water heater from the storage device, the recovery water circulation flow path of the recovered water reaching the storage device, the preheating water heater from the fuel cell, and the preheating water reaching the fuel cell Since the reforming section is cooled by the recovered water and does not rise excessively, the recovered water that has passed through the heat exchanging section and the preheating water that preheats the fuel cell perform heat exchange. The fuel cell as well as the processing device can be preheated to a predetermined temperature before the start of power generation, and a fuel cell power generation system with a short startup time of the fuel cell system can be provided.
また請求項2に記載のように、請求項1に記載の燃料電池発電システムでは、貯留装置71と一体に構成され、回収水42aを循環して酸化剤ガス61aを加湿する酸化剤ガス加湿装置70と、貯留装置71と熱交換部12との間の回収水循環流路に配設され、回収水循環流路を分岐させる分岐手段135と、分岐手段135から酸化剤ガス加湿装置70に至る流路と、分岐手段135と熱交換部12との間の回収水循環流路に配設され、回収水循環流路を閉止する回収水循環流路閉止手段133を備えるように構成してもよい。
Further, as described in claim 2, in the fuel cell power generation system according to
このように構成すると、燃料電池の予熱とともに、酸化剤ガス加湿装置も予熱されるので、燃料電池の発電効率が高く寿命が長い燃料電池発電システムを提供することを提供することができる。 With this configuration, the oxidant gas humidifier is preheated together with the preheating of the fuel cell, so that it is possible to provide a fuel cell power generation system having a high power generation efficiency and a long life.
また、典型的には、燃料電池発電システムは、予熱用水24aと冷媒流体43aとの熱交換を行う予熱用水冷却器110と、冷媒流体43aを貯留する貯湯タンク120を備える。
Typically, the fuel cell power generation system includes a preheating
このように構成すると、予熱用水に回収した燃料電池で発電したときに発生した熱は、貯湯タンクの排熱温水中に蓄えられ、熱源として利用することが可能となる。また、予熱用水の温度が所定の温度以上に上昇することは防止されるので、燃料電池は予熱用水により適切な温度に保持される。 If comprised in this way, the heat | fever generate | occur | produced when it generate | occur | produces with the fuel cell collect | recovered in the water for preheating will be stored in the waste heat warm water of a hot water storage tank, and it will become possible to utilize as a heat source. Further, since the temperature of the preheating water is prevented from rising above a predetermined temperature, the fuel cell is maintained at an appropriate temperature by the preheating water.
また請求項3に記載のように、請求項2に記載の燃料電池発電システムでは、改質部9を加熱し、改質部9が第1の温度(例えば、図2で説明する循環水・回収水循環開始温度T1)になった際に、予熱用水24aを予熱用水循環流路に循環させ、回収水42aを回収水循環流路に循環させて予熱用水24aを加熱し、予熱用水加熱器130と燃料電池30との間の予熱用水24aの温度が第2の温度(例えば、図2で説明する循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2)、又は一酸化炭素低減部14の温度が第3の温度(例えば、図2で説明する一酸化炭素低減部反応好適温度T3)になった際に、回収水循環流路閉止手段133を閉止する制御装置18を備えるように構成してもよい。
Further, as described in claim 3, in the fuel cell power generation system according to claim 2, the reforming unit 9 is heated, and the reforming unit 9 has a first temperature (for example, circulating water / When the recovered water circulation start temperature T1) is reached, the preheating
第1の温度(例えば、図2で説明する循環水・回収水循環開始温度T1)は、好ましくは500℃から800℃、さらに好ましくは600℃から750℃程度である。第2の温度(例えば、図2で説明する循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2)は、好ましくは40℃から90℃、さらに好ましくは50℃から80℃程度である。第3の温度(例えば、図2で説明する一酸化炭素低減部反応好適温度T3)は、好ましくは180℃から500℃、さらに好ましくは200℃から350℃程度である The first temperature (for example, circulating water / recovered water circulation start temperature T1 described in FIG. 2) is preferably about 500 ° C. to 800 ° C., more preferably about 600 ° C. to 750 ° C. The second temperature (for example, the recovered water circulation stop temperature T2 based on the circulating water temperature described in FIG. 2) is preferably about 40 ° C. to 90 ° C., more preferably about 50 ° C. to 80 ° C. The third temperature (for example, the carbon monoxide reducing portion reaction suitable temperature T3 described in FIG. 2) is preferably about 180 ° C. to 500 ° C., more preferably about 200 ° C. to 350 ° C.
このように構成すると、制御装置にて温度に基づいて各部が制御されるので、迅速、確実に、かつ、人為的エラーを排除して、燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システムを提供することができる。 With this configuration, each part is controlled based on the temperature by the control device, so that a human error can be quickly and reliably eliminated with the human error, and the fuel cell and the fuel processing device are also It is possible to provide a fuel cell power generation system that can be preheated to a temperature and has a short startup time of the fuel cell system.
上記目的を達成するために、請求項4に係る発明による燃料電池発電システムの起動方法は、例えば図1又は図2に示すように、原料燃料4aと、水42a又は空気とを供給して原料燃料4aを改質し、改質ガスを生成する改質部9を加熱する改質部予熱工程(S102)と;改質部9が第1の温度(例えば、循環水・回収水循環開始温度T1)になった際に、改質ガスと第1の媒体42aとの熱交換をする第1熱交換工程(S202)と;第1の媒体42aと第2の媒体24aとの熱交換をする第2熱交換工程(S203)と;第2の媒体24aが燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により発電する燃料電池30を加熱する燃料電池予熱工程(S204)と;第2の媒体24aが第2の温度(循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2)、又は改質ガス中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスを燃料ガス3aとして生成する一酸化炭素低減部14の温度が第3の温度(一酸化炭素低減部反応好適温度T3)になった際に、改質ガスと第1の媒体42aとの熱交換を停止する第1熱交換停止工程(S207)と;第1の媒体42aと第2の媒体24aとの熱交換を停止する第2熱交換停止工程(S208)とを備えるように構成されている。
In order to achieve the above object, a fuel cell power generation system start-up method according to a fourth aspect of the present invention provides a
このように構成すると、改質ガスと第1の媒体との熱交換をし、第1の媒体と第2の媒体との熱交換をし、第2の媒体が燃料電池を加熱するので、燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに燃料電池を所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システムの起動方法を提供することができる。 With this configuration, the heat exchange between the reformed gas and the first medium, the heat exchange between the first medium and the second medium, and the second medium heat the fuel cell. In addition to the processing device, the fuel cell can be preheated to a predetermined temperature before the start of power generation, and a startup method of the fuel cell power generation system with a short startup time of the fuel cell system can be provided.
以上のように本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と;発生した水を回収水として回収し貯留する貯留装置と;原料燃料と、回収水又は空気とを供給して原料燃料を改質し、改質ガスを生成する改質部と、改質部9の周囲に形成され熱交換をする熱交換部と、改質部を加熱する加熱部と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスを生成する一酸化炭素低減部とを有する燃料処理装置と;回収水と燃料電池を予熱する予熱用水との熱交換を行う予熱用水加熱器と;貯留装置から、熱交換部と、予熱用水加熱器と、貯留装置に至る回収水の回収水循環流路と;燃料電池から、予熱用水加熱器と、燃料電池に至る予熱用水の予熱用水循環流路とを備えるので、改質部が回収水で冷却され過上昇せず、加熱部の熱と熱交換部を通過した回収水と、燃料電池を予熱する予熱用水とが熱交換を行うので、燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas to generate water; a storage device that recovers and stores the generated water as recovered water; A reforming unit that reforms the raw material fuel by supplying fuel and recovered water or air to generate reformed gas, a heat exchange unit that is formed around the reforming unit 9 and exchanges heat, A fuel treatment device having a heating part for heating the heating part, and a carbon monoxide reduction part for reducing the carbon monoxide in the reformed gas to generate a fuel gas; and a preheating water for preheating the recovered water and the fuel cell A preheating water heater for performing heat exchange; a storage device, a heat exchanging unit, a preheating water heater, a recovered water circulation channel for recovered water reaching the storage device; a fuel cell, a preheating water heater, and a fuel cell The preheating water circulation path that leads to the Since the heat of the heating section and the recovered water that has passed through the heat exchange section and the preheating water that preheats the fuel cell exchange heat without excessive rise, the fuel cell together with the fuel processing device has a predetermined temperature before the start of power generation. Therefore, it is possible to provide a fuel cell power generation system that can be preheated to a short time and that has a short startup time.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、図1中、「a」を添えた符号及び「42A」、「42B」、「42C」は物を表し、これらの符号で示されるときに線は物の流れを、これらの符号を添えていない符号で示されるときに線は配管を表す。また、破線は、電気信号を表す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In FIG. 1, the symbols with “a” and “42A”, “42B”, and “42C” represent objects, and when indicated by these symbols, the line indicates the flow of the object, and these symbols are appended. Lines represent piping when not indicated by a symbol. A broken line represents an electric signal.
図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1の模式的ブロック図である。燃料電池発電システム1は、燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池30と、発生した水を回収水42aとして回収し貯留する貯留装置としての貯液部71と、都市ガス、LPG、消化ガス、メタノール、GTLや灯油のような原料燃料4aから水素に富む燃料ガス3aを生成する燃料処理装置7と、回収水42aと燃料電池30を予熱する予熱用水としての循環水24aとの熱交換を行う予熱用水加熱器としての循環水加熱器130と、貯液部71から燃料処理装置7の熱交換部としてのジャケット12と循環水加熱器130と貯液部71に至る回収水42aの回収水循環流路と、燃料電池30から循環水加熱器130と燃料電池30に至る予熱用水の予熱用水循環流路としての循環水循環流路とを備えている。
FIG. 1 is a schematic block diagram of a fuel cell
燃料処理装置7は、原料燃料4aと、回収水42aとを供給して原料燃料4aを改質し、改質ガスを生成する改質部9と、改質部9の周囲に形成され熱交換をする熱交換部としてのジャケット12と、改質部9を加熱する加熱部としての燃焼部8と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガス3aを生成する一酸化炭素低減部14とを備えており、さらに不図示の原料燃料供給部と、燃焼空気供給部を備えている。
The fuel processing device 7 supplies the
さらに、燃料電池発電システム1は、貯液部71と一体に構成され、回収水42aを循環して酸化剤ガス61aを加湿する酸化剤ガス加湿装置70と、貯液部71とジャケット12との間の回収水循環流路に配設され、回収水循環流路を分岐させる分岐手段としての分岐管135と、分岐管135から酸化剤ガス加湿装置70に至る流路としての回収水分岐流路41と、分岐管135とジャケット12との間の回収水循環流路に配設され、回収水循環流路を閉止する回収水循環流路閉止手段としての回収水閉止バルブ133を備える。なお、典型的には、酸化剤ガス加湿装置70と貯液部71とは一体となって気液接触塔170を構成している。
Further, the fuel cell
またさらに、燃料電池発電システム1は、回収水42aと燃焼ガスとの熱交換を行う燃焼ガス熱交換器83と、燃料処理装置7から導入される燃料ガス3aと気液接触塔170から導入される酸化剤ガス61aと循環水循環流路を循環する循環水24aの三流体の熱交換をする燃料ガス熱交換器114と、循環水24aを冷却する循環水冷却器110と、循環水冷却器110で循環水24aと熱交換を行う排熱温水43aを貯留する貯湯タンク120と、燃料電池発電システム1の各部を制御する制御装置としての制御部18と、気液分離器45、55、89と、ブロワ84と、ポンプ82、85、108、125と、水処理装置86、93とを備えている。さらに、燃料ガス3aを燃料処理装置7の一酸化炭素低減部14から燃料ガス熱交換器114に導入する流路には、燃料ガス3aの流路を燃焼部8に至る流路に切り替える三方弁13とを備える。
Still further, the fuel cell
燃料処理装置7の原料燃料供給部(不図示)は、都市ガス、LPG、消化ガス、メタノール、GTLや灯油のような原料燃料4aを定量的に供給するように構成されている。原料燃料4aを貯蔵するタンクを備えていてもよいし、原料燃料4aを系外から導入してもよい。都市ガスやLPGのように供給元の気体の圧力が高く維持されている場合には、流量調節弁を備える。供給元の圧力が高くない場合には、ブロワを備え、原料燃料を改質部9内へ供給するための圧力を確保する。また、GTLや灯油のように原料燃料4aが液体の場合には、定量ポンプを備えてもよいし、流量調節機能を有さないポンプと流量調節弁とを備えてもよい。
The raw material fuel supply unit (not shown) of the fuel processing device 7 is configured to quantitatively supply
燃焼空気供給部(不図示)は、燃焼部8での燃焼で消費される酸素を供給する装置である。ブロワにより大気を燃焼空気5aとして送り込む構成でよく、大気中の浮遊物の混入を防止するためのフィルターを有するのが好適である。また、燃焼空気5aの供給量を調整するための流量調整弁を有するのが好適である。なお、以下の説明では、特に断りのない限り2つの機器等が「接続される」とは、直接接続されている場合、配管を介して接続される場合をともに含むものとして説明する。
The combustion air supply unit (not shown) is a device that supplies oxygen consumed by combustion in the
燃焼部8は、原料燃料4a、一酸化炭素低減部14で生成される一酸化炭素低減ガスとしての燃料ガス3aであってガス中の一酸化炭素が充分に減じられずに一酸化炭素低減部14から送出される燃焼用ガス3a’あるいは後述する燃料電池30のアノード極のオフガスであるアノードオフガス21aを、燃焼空気5aと共に燃焼させて、改質部9を加熱するように構成されている。原料燃料4aが灯油などの液体であるときに備え、好適には気化器を有している。灯油、都市ガス、LPGなどの原料燃料4a、一酸化炭素低減部14から送出される燃焼用ガス3a’あるいはアノードオフガス21aと多種の燃料に対応できるバーナーノズルを有している。あるいはそれぞれ異なるバーナーノズルを有していてもよい。改質部9を加熱する装置であるので、改質部9と一体で形成されることが好ましく、改質部9の中央に配置され、燃焼部8で燃焼することにより周囲の改質部9を加熱する構成としてもよいし、燃焼部8で燃焼した高温ガスが改質部9の周囲に流れ改質部9を加熱する構成としてもよく、改質部9を加熱すればどのような構成であってもよい。
The
燃焼部8は、典型的には、起動時に原料燃料4aあるいは一酸化炭素低減部14から送出される燃焼用ガス3a’を燃料として燃焼空気5aと共に燃焼させ、定格運転時にアノードオフガス21aを燃料として燃焼空気5aと共に燃焼させて改質部9を加熱するように構成されている。燃焼部8で燃焼した後の排ガスである燃焼ガス6aは、配管37を介して後述する燃焼ガス熱交換器83に導入される。また、燃料ガス3aの燃料電池30への供給と、燃焼用ガス3a’の燃焼部8への供給とが三方弁13によって適宜切り替えられるように構成されている。
The
三方弁13は、一つの入口部と二つの出口部を有し流路を切替える弁であり、ソレノイドあるいはモータ駆動により作動する構成ように構成されている。三方弁13には、後述する制御部18から送信される制御信号i1を伝達する信号ケーブルが配線され、三方弁13は、当該制御信号i1を受信し、作動するように構成されている。なお、切り替えるための手段は、三方弁ではなく、分岐管と仕切弁との組合せで構成してもよいが、三方弁とすると、場所をとらず燃料電池発電システム1を小型化することができる。
The three-
改質部9は、改質触媒(不図示)が充填された改質触媒充填層(不図示)とを含んで構成され、原料燃料4aと回収水42aから改質反応により水素に富む改質ガスを生成するように構成されている。改質反応は、高温下において改質触媒により原料燃料4a中の炭化水素と水分とから、水素と二酸化炭素、一酸化炭素を生成する反応である。改質反応は、吸熱反応であり、改質反応のために外部より熱を供給する必要がある。改質部9は、改質触媒を収容した略円筒形状とするのが、強度的にも製造上も好適である。ただし、高温に保つために、その内部に、略同軸に燃焼部8が配置されているとよい。
The reforming unit 9 includes a reforming catalyst packed bed (not shown) filled with a reforming catalyst (not shown), and reforming rich in hydrogen by a reforming reaction from the
改質触媒(不図示)は、改質反応を促進するものであれば何でもよく、例えば触媒の種類としてNi系改質触媒やRu系改質触媒などが用いられる。また、改質触媒の形状は、効率的に反応を行うために粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。 Any reforming catalyst (not shown) may be used as long as it promotes the reforming reaction. For example, a Ni-based reforming catalyst or a Ru-based reforming catalyst is used as the type of catalyst. In addition, the shape of the reforming catalyst is preferably a granular shape, a cylindrical shape, a honeycomb shape, or a monolith shape in order to perform the reaction efficiently.
ジャケット12は、改質部9の周囲に形成される。ジャケット12は、改質部9と改質部9の周囲に配設される隔壁とによって画成される空間に、回収水循環流路を循環する回収水42aが流れることで、改質部9との熱の授受を行わせて冷却するように構成されている。すなわち、ジャケット12が改質部9、典型的には改質ガスと回収水42aとの熱交換部となる。改質部9と回収水42aとの熱交換部をジャケットとすることで、製作が容易となり、かつ、回収水42aの圧力損失の増大も防げる。しかし、改質部9と回収水42aとの熱交換部はジャケットでなく、回収水42aが流れる配管を改質部9内に挿入してもよい。このように構成すると、改質触媒の温度分布が均一に成りやすい。改質部9は、循環する回収水42aと熱交換することで、過度に加熱されることが防止され、また、循環する回収水42aは、その温度が上昇する。
The
一酸化炭素低減部14は、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガス3aを生成するように構成されている。一酸化炭素低減部14は、典型的には、改質ガス中の一酸化炭素を変成する変成触媒を充填した変成触媒充填層(不図示)を有する変成部10と、前記改質ガス中の前記一酸化炭素を除去する選択酸化触媒を充填した選択酸化触媒充填層(不図示)を有する選択酸化部11とを含んで構成される。
The carbon
変成部10は、一酸化炭素低減部14の前段部として、改質ガス中の一酸化炭素を改質ガス中の水分との変成反応により二酸化炭素と水素とに分解するように構成されている。変成反応は、発熱反応であり、反応温度を低くすれば、変成後の一酸化炭素濃度が低くなるが、反応速度は遅くなる。
The
変成触媒は、典型的には、鉄Fe−クロムCr系高温変成触媒、プラチナPt系中高温変成触媒、銅Cu−亜鉛Zn系低温変成触媒などが用いられる。変成部10は、典型的には全体として略円筒形をしている。触媒の形状としては、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状などが挙げられる。なおここで、変成部10により改質ガス中の一酸化炭素を低減したガスを、特に断りのない限り変成ガスという。
As the shift catalyst, typically, an iron Fe-chromium Cr-based high-temperature shift catalyst, a platinum Pt-based medium-high-temperature shift catalyst, a copper Cu-zinc Zn-based low-temperature shift catalyst, or the like is used. The
選択酸化部11は、一酸化炭素低減部14の後段部として、変成ガス中の一酸化炭素を外部より供給される空気中の酸素との一酸化炭素選択酸化反応により、さらに低減・除去するように構成されている。燃料電池30として、固体高分子型燃料電池を用いると、燃料ガス3a中の一酸化炭素により、アノード極(燃料極)32のプラチナPt触媒が被毒し、発電効率の低下が起こるという問題がある。そこで、一酸化炭素に対する選択酸化性が高い選択酸化触媒を用いて、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する。
The
選択酸化触媒は、一酸化炭素に対する選択酸化性が高いものであれば何でもよく、例えばPt系選択酸化触媒、Ru系選択酸化触媒やPt−Ru系選択酸化触媒などが用いられる。触媒の形状として粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状などが挙げられる。ここで、変成ガス及び選択酸化部11により変成ガス中の一酸化炭素をさらに低減・除去した選択酸化ガスを、特に断りのない限り広義に一酸化炭素低減ガスといい、本実施の形態では、燃料電池30等の燃料ガス3aとして用いている。
The selective oxidation catalyst is not particularly limited as long as it has a high selective oxidation property with respect to carbon monoxide. For example, a Pt-based selective oxidation catalyst, a Ru-based selective oxidation catalyst, a Pt-Ru-based selective oxidation catalyst, or the like is used. Examples of the shape of the catalyst include a granular shape, a cylindrical shape, a honeycomb shape, and a monolith shape. Here, the selective oxidation gas obtained by further reducing / removing carbon monoxide in the conversion gas by the conversion gas and the
なお、本実施の形態では、燃料処理装置7は、変成部10と選択酸化部11とを備え、一酸化炭素を低減しているが、いずれか一つだけを備える構成としても、一酸化炭素濃度が低減されればよい。ただし、変成部10と選択酸化部11とを備えることにより、変成部10で、一酸化炭素濃度が低減させられると共に、燃料としての水素濃度が高められ、さらに、選択酸化部11で一酸化炭素濃度が充分に低下させられるので、好適である。
In the present embodiment, the fuel processor 7 includes the
改質部9と、変成部10に、それぞれ内部の温度を検知する改質部温度検知器15、変成部温度検知器16が備えられている。改質部温度検知器15、変成部温度検知器16は、例えば熱電対、サーミスタ、赤外式温度計等を用いられる。改質部温度検知器15、変成部温度検知器16には、それぞれ検知した温度を改質部温度信号i2、変成部温度信号i3として制御部18に伝達する信号ケーブルが配線され、改質部温度検知器15、変成部温度検知器16は、当該改質部温度信号i2、変成部温度信号i3を制御部18に送信するように構成されている。
The reforming unit 9 and the
燃料処理装置7で生成された燃料ガス3aは、選択酸化部11と後述する燃料ガス熱交換器114とを接続する配管38を介して燃料ガス熱交換器114に導入され、次段の燃料電池30の燃料ガス3aとして供給される。なお、前述した、三方弁13は、この配管38上に配設されている。
The
燃料電池30は、例えば積層型の固体高分子型燃料電池を使用することができ、循環水流路31と燃料極32と空気極33とを有する。燃料極32には、燃料処理装置7で生成され、燃料ガス熱交換器114を経て供給される燃料ガス3aを導入するノズル(不図示)と、燃料ガス3aのオフガスであるアノードオフガス21aを排出するノズル(不図示)が配置される。空気極33には、気液接触塔170から燃料ガス熱交換器114を経て送出される酸化剤ガス61aを導入するノズル(不図示)と、酸化剤ガス61aのオフガスであるカソードオフガス22aを排出するノズル(不図示)が配置される。循環水流路31には、ポンプ108から圧送されて燃料ガス熱交換器114を経て供給される循環水24aを導入するノズル(不図示)と、循環水24aを流出するノズル(不図示)が配置される。燃料電池30は、各ノズル(不図示)に配管を接続することで、各部と接続している。
As the
燃料電池30は、燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。この電気化学的反応は、発熱反応であり、冷却するために循環水24aが導入されている。
The
また、固体高分子型燃料電池を用いる場合には、プロトン交換膜(不図示)の電気伝導度を高く維持するために、燃料極32に供給する燃料ガス3aと空気極33に供給する酸化剤ガス61aを所定の露点まで加湿する必要がある。使用する燃料電池の作動温度等運転条件によって変わるが、要求される燃料ガス3aの露点は50〜80℃の範囲であるのが一般的であり、要求される酸化剤ガス61aの露点は50〜80℃の範囲であるのが一般的である。
When a polymer electrolyte fuel cell is used, the oxidant supplied to the
燃料電池30の循環水流路31には循環水24aが流れるように構成されている。燃料電池30の燃料極32から排出されたアノードオフガス21aは、前述したように、燃焼部8に導入され、定格運転時には燃焼燃料として用いられる。燃料電池30の空気極33から排出されたカソードオフガス22aと、燃料処理装置7から排出された燃焼ガス6aとは混合し、加熱ガスとしての混合ガス63aとなり、配管37を介して燃焼ガス熱交換器83に導入される。
The circulating
燃焼ガス熱交換器83は、混合ガス63aである気体と回収水42aである液体との顕熱および潜熱の一部を熱交換をするように構成されており、プレート型熱交換器が好適に用いられる。あるいは、多管式熱交換器が好適に用いられる。更に好適には、混合ガス63aの流路にフィンを備えた多管式熱交換器が用いられる。燃焼ガス熱交換器83で、混合ガス63aと回収水42aとが熱交換することで回収水42aは昇温される。
The combustion
燃焼ガス熱交換器83の混合ガス63aの出口からは、気液分離器89を経て系外102へ至る配管40が接続され、気液分離器89で水分が回収される。気液分離器89で混合ガス63aから水分が回収された残りの排ガス64aは、配管40により系外102へ放出される。
From the outlet of the
気液分離器89は、混合ガス63aと混合ガス63a中に含まれる凝縮した水とを分離し、当該分離された水は、回収水42Cとして気液接触塔170の貯液部71へ送出され、該貯液部71で回収水42aとして貯留される。
The gas-
ここで、燃焼ガス熱交換器83の下流側で気液分離器89の上流側に接続された(一点鎖線矢印にて図示)冷却器100を追加することにより、排ガス64aとして系外102に排出される混合ガス63aの熱および水分をさらに回収することもできる。
Here, by adding a cooler 100 connected to the upstream side of the gas-
循環水流路31の先は、燃料電池30の循環水24aを流出するノズル(不図示)から順に、回収水42aと循環水24aとの熱交換を行う循環水加熱器130、循環水24aと冷媒流体、典型的には熱を回収する冷媒流体との熱交換を行う循環水冷却器110、ポンプ108、燃料ガス熱交換器114を経て、再び循環水流路31に接続される。このように、循環水流路31から循環水加熱器130、循環水冷却器110、ポンプ108、燃料ガス熱交換器114を経て循環水流路31に循環する循環水42aの循環水循環経路が構成される。
At the tip of the circulating
循環水加熱器130は、起動時に、改質部9のジャケット12で改質部9と熱交換することで温度が上昇した回収水42aと循環水24aとの熱交換を行うように構成されており、温度差の比較的小さな液体同士で熱交換を行うためにプレート型熱交換器が好適に用いられる。あるいは、多管式熱交換器が好適に用いられる。循環水24aは、循環水加熱器130で回収水42aと熱交換することで、その温度が上昇する。起動時に、当該循環水加熱器130で温度が上昇した循環水24aによって、燃料電池30を所定の温度まで予熱するように構成されている。
The circulating
循環水冷却器110は、貯湯タンク120に貯えられ、ポンプ125によって昇圧されて送出される冷媒流体としての排熱温水43aと、循環水24aとを熱交換する熱交換器であり、温度差の比較的小さな液体同士で熱交換を行うためにプレート型熱交換器が好適に用いられる。循環水冷却器110により、排熱温水43aは加熱され、循環水24aは冷却される。すなわち、排熱温水43aにより循環水24a中の排熱を回収する。これにより、定格運転時には、循環水24aは所定の温度に維持される。また、循環水冷却器110の排熱温水43aの出口ノズル(不図示)は、貯湯タンク120に接続され、排熱温水43aが排熱を回収した後に貯湯タンク120に貯留されることにより、排熱は貯湯タンク120に回収熱として貯えられる。すなわち、排熱温水43aは、ポンプ125、貯湯タンク120、循環水冷却器110間を循環する。
The circulating
ポンプ125には、制御部18から送信されるポンプ制御信号i4を伝達する信号ケーブルが配線され、ポンプ125は、当該ポンプ制御信号i4を受信し、排熱温水43aの循環水冷却器110への循環開始、停止を行うように構成されている。
A signal cable for transmitting a pump control signal i4 transmitted from the
なお、貯湯タンク120には、排熱温水43aを供給又は循環させることにより系外の熱需要に熱を供給する装置(不図示)が接続されている。例えば、貯湯タンク120に貯留される排熱温水43aが系外に循環し、排熱を供給した後に、貯湯タンク120に戻される。すなわち、排熱温水43aに回収された排熱が、熱源として有効利用される。
The hot
典型的には定格運転時に、ポンプ125を作動させることで排熱温水43aを循環し、当該循環水冷却器110で温度が低下した循環水24aによって、燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により発生した熱を吸収して、燃料電池30を冷却するように構成されている。
Typically, during rated operation, the pump 125 is operated to circulate the exhaust heat
すなわち、燃料電池発電システム1では、循環水24aは、起動時に、当該循環水加熱器130で温度が上昇した循環水24aによって、燃料電池30を所定の温度まで予熱し、燃料電池30が一定量の電力を発電する定格運転時には、燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により発生した熱を吸収して、燃料電池30を冷却するように構成されている。
That is, in the fuel cell
ポンプ108は、循環水24aを圧送して循環させるもので、循環水冷却器110と燃料ガス熱交換器114との間でなくても、循環する循環水24aの経路上に配置されればよい。ポンプ108には、制御部18から送信されるポンプ制御信号i8を伝達する信号ケーブルが配線され、ポンプ108は、当該ポンプ制御信号i8を受信し、循環水24aの循環水循環流路での循環開始、停止を行うように構成されている。
The
燃料ガス熱交換器114は、燃料電池30の循環水流路31から排出される循環水24aと、気液接触装置170から送出される酸化剤ガス61aとを熱交換し、さらに循環水24aと、燃料処理装置7から送出される燃料ガス3aとを熱交換する3流体の熱交換器であって、多管式熱交換器が好適に用いられる。更に好適には、気体である酸化剤ガス61aと燃料ガス3aとの流路にフィンを設けた管を備える多管式熱交換器とする。あるいは、3重管型熱交換器も好適に用いられる。燃料ガス熱交換器114では、燃料ガス3aは循環水24aで冷却され、酸化剤ガス61aも循環水24aで冷却される。
The fuel
燃料ガス熱交換器114の燃料ガス3aの出口ノズル(不図示)は、気液分離器45を経て、燃料電池30の燃料極32に接続される。燃料ガス熱交換器114の酸化剤ガス61aの出口ノズル(不図示)は、気液分離器55を経て、燃料電池30の空気極33に接続される。燃料ガス熱交換器114の循環水24aの出口ノズル(不図示)は、燃料電池30の循環水流路31に接続される。
An outlet nozzle (not shown) of the
循環水冷却器110とポンプ108との間の循環水循環流路には、循環水冷却器110と燃料電池30との間の循環水24aの温度を検知する循環水温度検知器17が配設されている。循環水温度検知器17は、改質部温度検知器15等と同様の構成であり、検知した温度を循環水温度信号i5として制御部18に伝達する信号ケーブルが配線され、循環水温度信号i5を制御部18に送信するように構成されている。
A circulating
気液分離器45は、燃料ガス熱交換器114によって冷却された燃料ガス3a中の水分を分離する装置で、分離された水を回収水42Aとして気液接触塔170に導入する配管が接続される。気液分離器55は、気液接触塔170からブロワ84によって送出される酸化剤ガス61a中の水分を分離する装置で、分離された水を回収水42Bとして気液接触塔170に導入する配管が接続される。回収水42Aとして気液接触塔170に導入する配管が接続される。回収水42A、回収水42Bはともに、気液接触塔170の貯液部71へ送出され、貯液部71で前述した回収水42Cと同様に回収水42aとして貯留される。
The gas-
気液接触塔170は、回収水42aを循環して酸化剤ガス61aを加湿する酸化剤ガス加湿装置70と回収水42aを貯留する貯液部71を含んで構成されている。
The gas-
気液接触塔170は、その下部に、気液分離器45、55、89から送出された回収水42A、42B、42Cが導入される回収水入口73と、導入された回収水42A、42B、42Cを回収水42aとして貯留する貯液部71と、ポンプ82、85によって回収水42aが外に向けて吸引される回収水吸引口74と、所定の水位レベルを超える回収水42aが溢れ出て流れ込む溢流管75と、回収水42aが溢流管75に溢れて流れ込む溢流口76とを有し、酸化剤ガス61aが入り込む酸化剤ガス入口72を溢流口76の上方に有する。所定の水位レベルとは、溢流口76が設定された水位レベルである。回収水42aは溢流管75から気液接触塔170の系外に流れ出る。なお、本実施の形態で例示する酸化剤ガス入口72は、大気開放されており、大気中の空気を酸化剤ガス61aとして用いる。
The gas-
気液接触塔170は、その上部に、酸化剤ガス61aが燃料ガス熱交換器114に向けて流れ出る酸化剤ガス出口77と、貯液部71から導出され、燃焼ガス熱交換器83を循環し昇温された回収水42aが注入される回収水注入口78と、回収水注入口78に注入された回収水42aを細かい水滴として気液接触塔170内に撒き散らす水分散器79とを有する酸化剤ガス加湿装置70を備える。また、上部に配置する水分散器79と酸化剤ガス出口77との間に、デミスタ91が設けられる。デミスタ91により、上昇する酸化剤ガス61aに随伴したミストが除去される。
The gas-
気液接触塔170は、その上部と下部の間に、注入された回収水42aと酸化剤ガス61aとの気液接触を促進するための充填物を充填した充填部80と、充填部80を支持する充填物支持板81とを有する。
The gas-
気液接触塔170の酸化剤ガス出口77には、酸化剤ガス61aを燃料電池30に圧送するブロワ84が接続される。ブロワ84により気液接触塔170内の酸化剤ガス61aが吸引される。酸化剤ガス入口72から吸引された酸化剤ガス61aと、回収水注入口78から注入された回収水42aとは、充填部80にて向流接触することにより、酸化剤ガス61aが昇温された回収水42aによって洗浄されると共に、昇温及び加湿される。ブロワ84の出口は、燃料ガス熱交換器114に接続されており、酸化剤ガス出口77から導出される酸化剤ガス61aは燃料ガス熱交換器114に供給される。
A
定格運転時では、気液接触塔170で水蒸気飽和またはそれに近い状態とされた酸化剤ガス61aは、燃料ガス熱交換器114で循環水24aにより冷却され、その結果として温度が下がり相対湿度が上がることになる。また、燃料ガス3aも同様に、燃料処理装置7から導出される際には、高温で湿度も高い状態となっており、燃料ガス熱交換器114で循環水24aにより冷却され、その結果として温度が下がり相対湿度が上がることになる。すなわち、酸化剤ガス61a、燃料ガス3aは、水蒸気飽和またはそれに近い状態になる。このような相対湿度が高い(湿った)燃料ガス3a、酸化剤ガス61aが燃料電池30に供給されると、燃料電池30の固体高分子膜は電気抵抗が上昇することによる発電効率の低下を招くことがなく、また、固体高分子膜が損傷を受け寿命が短くなる恐れがなくなる。
During the rated operation, the
また、ブロワ84による酸化剤ガス61aの昇圧の結果、酸化剤ガス61aの露点が上昇する。例えば、ブロワ84による酸化剤ガス61aの圧力上昇を12kPaとして、酸化剤ガス出口77における酸化剤ガス61aの露点が50℃の場合は、酸化剤ガス61aの露点が約2℃上昇し約52℃になる。よって、酸化剤ガス61aの達成すべき露点が一定の場合、酸化剤ガス61aのブロワ84を気液接触塔170の下流側に配置することにより、気液接触塔170の加湿負荷を軽減し、気液接触塔170をコンパクト化することができる。また、ブロワ84を酸化剤ガス入口72側に配置した場合と違って、気液接触塔170内はブロワ84により加圧されることがない。
As a result of the pressure increase of the
また、気液接触塔170内の貯液部71は、酸化剤ガス入口72にて大気開放状態を維持することにより大気圧の状態にあるので、気液分離器45、55、89とのレベル差によって気液分離器45、55、89から回収水42A、42B、42Cを貯液部71へ導入することができる。したがって、回収水42A、42B、42Cを液送する送液ポンプ等を不要にすることができる。さらに、余剰の回収水42aは、追加の送液ポンプや液面センサ等の系外排出機器を用いることなく、貯液部71内に配置する溢流管75の底部排出口から燃料電池発電システム1の系外へ排出することができる利点もある。
Further, since the
気液接触塔170の貯液部71に貯留されるの回収水42aは、酸化剤ガス61aによって脱炭酸され、冷却される。回収水42aの脱炭酸処理工程により少量の炭酸ガスが酸化剤ガス61aに混入するが、炭酸ガスが燃料電池30内の空気極触媒に対する触媒被毒作用をほとんど有しないので、燃料電池30の劣化や寿命に影響することはない。
The recovered
気液接触塔170の回収水吸引口74の先は、回収水吸引口74から順に、ポンプ82、後述する水処理装置93、燃料処理装置7のジャケット12、循環水加熱器130を経て、気液接触塔170上部の回収水注入口78に接続される。このように、貯液部71から回収水吸引口74、ポンプ82、水処理装置93、燃料処理装置7のジャケット12、回収水注入口78、水分散器79、充填部80を経て貯液部71に循環する回収水42aの回収水循環流路が構成される。気液接触塔170内で脱炭酸され、冷却された回収水42aは回収水循環流路を循環する。
The recovered
さらに、水処理装置93とジャケット12との間の回収水循環流路には、水処理装置93側から順に、回収水循環流路を分岐させる分岐管135と、回収水循環流路を閉止し、回収水循環流路を流れる回収水42aの流れを停止する回収水閉止バルブ133が配設されている。
Further, the recovered water circulation channel between the
ポンプ82には、制御部18から送信されるポンプ制御信号i6を伝達する信号ケーブルが配線され、ポンプ82は、当該ポンプ制御信号i6を受信し、回収水42aの回収水循環流路での循環開始、停止を行うように構成されている。
A signal cable for transmitting a pump control signal i6 transmitted from the
回収水閉止バルブ133は、ソレノイド、モータなどのアクチュエータで動作するように構成されており、制御部18から送信されるバルブ開閉信号i7を伝達する信号ケーブルが配線され、当該弁開閉信号i7を受信し、回収水循環流路を開閉し、回収水循環流路を流れる回収水42aの流れを開始、停止するように構成されている。
The recovered
分岐管135は、回収水42aの流れを分岐するように構成されている。分岐管135の先は、絞り弁134、回収水分岐流路41を介して、上述した燃焼ガス熱交換器83を経て、酸化剤ガス加湿装置70の回収水注入口78に接続される。絞り弁134は、回収水42aの流れを調節するように構成されている。このように、貯液部71から回収水吸引口74、ポンプ82、水処理装置93、分岐管135、絞り弁134、燃焼ガス熱交換器83、回収水注入口78、水分散器79、充填部80を経て貯液部71に循環する回収水42aの回収水分岐循環流路が構成される。
The
回収水分岐循環流路は、典型的には、燃焼ガス熱交換器83と回収水注入口78との間で回収水循環流路と合流するように構成されており、燃焼ガス熱交換器83で昇温された回収水42aは、回収水注入口78の略上流側で、循環水加熱器130を通過してきた回収水42aと合流する。
The recovered water branch circulation channel is typically configured to join the recovered water circulation channel between the combustion
また、気液接触塔170内で脱炭酸され、冷却された回収水42aは、回収水吸引口74に接続するポンプ82とは別のポンプ85により水処理装置86に送られるように構成されている。回収水42aは、水処理装置86で純水に精製された後に、燃料処理装置7の改質部9に液送され、改質反応に用いられる。
Further, the recovered
水処理装置86、93はそれぞれ、イオン交換樹脂充填カラム87、94を有している。この水処理装置86、93のイオン交換樹脂充填カラム87、94に用いるイオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂が望ましい。本実施の形態において、酸化剤ガス61a中に含まれる酸性ガス汚染物質、例えば、硫黄酸化物SO2は下式のように反応する。
SO2 + OH− → HSO3 − ・・・(1)
硫黄酸化物SO2は、反応式(1)により、充填部80にて接触する回収水42aの中の水酸化イオンOH−と反応してイオン化し、回収水42aに吸収されている。 そして、吸収された回収水42a中のHSO3 −は、下式のように反応する。
HSO3 − + R−OH− → R−HSO3 − + OH− ・・・(2)
HSO3 −は、反応式(1)により、イオン交換樹脂充填カラム87、94にて陰イオン交換樹脂の水酸化イオンOH−とイオン交換をしてイオン交換樹脂充填カラム87、94内のイオン交換樹脂に吸着される。この時に、水酸化イオンOH−が回収水42aに供給される。
The
SO 2 + OH − → HSO 3 − (1)
The sulfur oxide SO 2 is ionized by reacting with the hydroxide ions OH − in the recovered
HSO 3 − + R—OH − → R-HSO 3 − + OH − (2)
HSO 3 − is ion-exchanged with ion-exchange resin-filled
また、イオン交換樹脂充填カラム87、94の下流側に、それぞれフィルタ88、95を設置することで、イオン交換樹脂が回収水42aに混入することを防止する。更に、酸化剤ガス61aに粉塵等の固形汚染物質が多量に含まれる場合には、イオン交換樹脂充填カラム94の上流側に固形物フィルタを追加することもできる。
In addition, by installing
本実施の形態では、回収水42aが循環する流路に、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置86、93を備えることによって、気液接触塔170で酸化剤ガス61aと気液接触する回収水42aに水酸化イオンOH−を常に供給する。すなわち、循環する回収水42aが常にアルカリ性に保たれ、酸化剤ガス61aに含有されるNOx、SOx等の酸性ガスの汚染物質が効果的に除去される。但し、水処理装置86、93は、備えられていなくてもよい。
In the present embodiment, by providing the
制御部18は、改質部9を加熱し、改質部9が第1の温度としての循環水・回収水循環開始温度T1になった際に、循環水24aを循環水循環流路に循環させ、回収水42aを回収水循環流路に循環させて循環水24aを加熱し、循環水加熱器130と燃料電池30との間の循環水24aの温度が第2の温度としての循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2、又は前記一酸化炭素低減部14の変成部10の温度が第3の温度として一酸化炭素低減部反応好適温度T3になった際に、回収水閉止バルブ133を閉止するように各部を制御している。
The
制御部18は、具体的には、改質部温度信号i2、変成部温度信号i3、循環水温度信号i5等のを受信し、これらの信号に基づいて、三方弁13に当該制御信号i1を、ポンプ125にポンプ制御信号i4を、ポンプ82にポンプ制御信号i6を、回収水閉止バルブ133にバルブ開閉信号i7、ポンプ108にポンプ制御信号i8をそれぞれ送信し、各部を制御するように構成されている。
Specifically, the
なお、制御部18は、本実施の形態では、三方弁13、ポンプ125、回収水閉止バルブ133、ポンプ108の制御の他にも、燃料電池発電システム1を構成する各部分の制御も行うように構成されており、これにより燃料電池発電システム1をより合理的な構成とすることができる。
In the present embodiment, the
以下では制御部18によって制御される燃料電池発電システム1の起動方法を説明する。 以下で説明する運転方法は、総て制御部18にて制御されるので、迅速、確実に、かつ、人為的エラーを排除して、起動方法を制御することができる。
Below, the starting method of the fuel cell
図2は、制御部18による燃料電池発電システム1の起動制御について示した流れ図である。本図を参照して燃料電池発電システム1の起動方法について説明する。なお、構成の符号に関しては適宜図1を参照するものとする。
FIG. 2 is a flowchart showing the start-up control of the fuel cell
まず、原料燃料着火工程として、原料燃料供給部(不図示)から原料燃料4aの燃焼部8への供給と、燃焼空気供給部(不図示)から燃焼部8に燃焼空気5aの供給を開始し、燃焼部8では、バーナーノズルから噴出する原料燃料4aが着火し、燃焼を開始する (S101)。
First, as a raw material fuel ignition process, supply of
続いて、改質部予熱工程として、燃焼部8での燃焼熱により改質部9が加熱され、改質部9は昇温、予熱される(S102)。制御部18は、改質部温度検知器15によって検知、送信される改質部温度信号i2を受信し、改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達しているか否かを判定する(S103)。改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達していなければ、S102に戻り改質部予熱工程を継続し、改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達していると判定されたら次段に移行する。
Subsequently, as the reforming section preheating step, the reforming section 9 is heated by the combustion heat in the
ここで、循環水・回収水循環開始温度T1は、原料燃料4aが改質反応をする温度より高く設定してあり、好ましくは500℃から800℃、さらに好ましくは600℃から750℃、例えば、改質反応をする温度が650℃であるときには、700℃に設定する。
Here, the circulating water / recovered water circulation start temperature T1 is set higher than the temperature at which the
改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達すると、一酸化炭素が充分に低減された燃料ガス3aを燃料電池30に供給し発電工程を開始するメインルーチン(S104からS109)と、循環水24aにより燃料電池30を予熱するサブルーチン(S201からS208)とが並行して実行される。
When the temperature of the reforming unit 9 reaches the circulating water / recovered water circulation start temperature T1 or more, the main routine (S104 to S109) starts supplying the
メインルーチン(S104からS109)では、S103で改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達していると判定されると、改質開始工程として、制御部18の制御により、原料燃料供給部(不図示)から原料燃料4aの改質部9への供給、貯液部71から予め貯留されている回収水42aの供給を開始し、改質部9での改質反応を開始させる (S104)。
In the main routine (S104 to S109), when it is determined in S103 that the temperature of the reforming unit 9 has reached the circulating water / recovered water circulation start temperature T1 or more, as a reforming start step, by the control of the
なお、原料燃料4aの改質部9への供給は、典型的には、制御部18によって不図示の三方弁を作動することにより行われ、 貯液部71から予め貯留されている42aの供給は、典型的には、制御部18によってポンプ85を作動することにより行われる。
The supply of the
ここで、原料燃料4aが三方弁(不図示)の作動により改質部9に供給されることになると、燃焼部8では燃焼するための燃料が供給されなくなるので、燃焼が停止する。これにより、改質部9の燃焼部8からの加熱は停止するが、改質部の容器(不図示)や改質触媒(不図示)に熱が蓄熱されているので、温度の低下は緩やかで、さらに、典型的には、改質部9が改質反応する温度より高い温度以上に加熱されており、多少温度が低下しても、改質反応は継続される。
Here, when the
改質部9では、原料燃料4aと、回収水42aとによる水蒸気改質反応が行われる。例えば改質原料がメタンの場合、次式による水蒸気改質反応が行われる。回収水42aは、改質部9に供給される際に加熱され、蒸発することで発生する水蒸気となっている。
CH4+H2O→CO+3H2 ・・・(3)
改質部9で生成される改質ガスは、変成部10に導入され下式の変成反応が行われる。
CO+H2O→CO2+H2 ・・・(4)
さらに、変成部10で生成される変成ガスは、選択酸化部11に導入され選択酸化用の空気との間で下式の一酸化炭素選択酸化反応が行われる。
CO+(1/2)O2→CO2 ・・・(5)
In the reforming unit 9, a steam reforming reaction is performed by the
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (3)
The reformed gas produced in the reforming section 9 is introduced into the
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (4)
Further, the shift gas generated in the
CO + (1/2) O 2 → CO 2 (5)
起動直後の時点では、変成部10、選択酸化部11は温度が低く改質ガスが供給されても十分に変成反応、選択酸化反応は行われず、生成される燃料ガス3aを燃料電池30に供給するのには適さない。
Immediately after startup, the
そこで、変成部・選択酸化部予熱工程として、変成部10、選択酸化部11に、供給される高温の改質ガスにより、変成部10、選択酸化部11の温度を変成反応、選択酸化反応に適した温度まで上昇させる(S105)。なお、変成反応及び選択酸化反応はともに発熱反応なので、変成部10、選択酸化部11は自らの反応発熱によっても昇温する。
Therefore, as a preheating process for the shift unit / selective oxidation unit, the temperature of the
上述したような起動直後に、燃料ガス3aであってガス中の一酸化炭素が充分に減じられずに選択酸化部11から送出される燃焼用ガス3a’は、三方弁13に至る。そこで、制御部18は、三方弁13を制御して、燃焼用ガス3a’を燃焼部8に供給し、燃焼部8では、この燃焼用ガス3a’と燃焼空気5aによる燃焼を開始する。
Immediately after the start-up as described above, the
次に、制御部18は、変成部温度検知器16によって検知、送信される変成部温度信号i3を受信し、昇温中の変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達しているか否かを判定する(S106)。
Next, the
変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達していなければ、S105に戻り変成部・選択酸化部予熱工程以降の工程を継続する。変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達していると判定されたら次段に移行する。
If the temperature of the
ここで、一酸化炭素低減部反応好適温度T3は、変成部10での変成反応に適した温度であり、好ましくは180℃から500℃、さらに好ましくは200℃から350℃程度である。変成部10の温度がこの温度に達すると変成反応の適切、効率的に行われるようになるからである。
Here, the carbon monoxide reduction portion reaction suitable temperature T3 is a temperature suitable for the shift reaction in the
変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3に達していると判定される、すなわち、変成部10の温度が変成反応に適した温度になると、一酸化炭素低減部14で改質ガス中の一酸化炭素が充分に低減され、生成された燃料ガス3aを燃料電池30に供給するのに適するようになる。
When it is determined that the temperature of the
そこで、燃料ガス流路切替工程として、制御部18は、選択酸化部11からのガスを燃料電池30に供給するように三方弁13を作動する制御信号i1を三方弁13に送信し、燃料ガス3aの流路を切り替える(S107) 。三方弁13を切り替えることにより、燃焼用ガス3a’の燃焼部8への供給が止まり、燃焼部8での燃焼が停止する。しかし、すぐに燃料電池30で発生するアノードオフガス21aが燃焼部8に送出される。アノードオフガス21aには、燃料電池での反応に用いられなかった水素が残留しているので、燃焼部8では、アノードオフガス21aと燃焼空気5aにより燃焼を開始し、通常運転移移行する。
Therefore, as the fuel gas flow path switching step, the
一酸化炭素が充分に低減された燃料ガス3aが燃料電池30に供給され、発電が始まると、燃料電池30は運転開始温度まで立ち上がり、発電電流の増段過程を経て、定常的な発電が開始される(S108)。これが、発電工程に該当する。燃料電池30で発電が開始された後は、燃料電池30で燃料ガス3aを発電に利用し、そのアノードオフガス21aが燃焼部8に供給され、燃焼部8での燃焼は継続される。
When the
つぎに、排熱温水循環工程として、制御部18は、ポンプ125に起動する旨のポンプ制御信号i4を送信し、ポンプ125を起動して、排熱温水43aの循環水冷却器110への循環を開始し(S109)、メインルーチンは終了する。燃料電池30は、発電により発熱するが、少なくとも定格運転時には、排熱温水43aの循環が開始され、循環水24aと排熱温水43aとが熱交換し、循環水24aは冷却され、冷却された循環水24aが燃料電池30を冷却する。循環水24aは燃料電池30を冷却すると昇温するが、循環水冷却器110で、排熱温水43aによって冷却されるので、その温度は一定に維持され、したがって、燃料電池30の温度も最適な温度で維持される。なお、排熱温水43aはこのとき加温される。
Next, as the exhaust heat / hot water circulation step, the
次にS103の後から並行して実行される循環水24aにより燃料電池30を予熱するサブルーチン(S201からS208)について説明する。
Next, a subroutine (S201 to S208) for preheating the
前述した変成部・選択酸化部予熱工程(S105)では、変成部10、選択酸化部11に供給される高温の改質ガスにより、変成部10、選択酸化部11の温度は上昇する。つまり、変成部10、選択酸化部11をそれぞれ変成反応、選択酸化反応に適した温度まで素早く上昇させるには、改質部9に供給される原料燃料4a等の流量を増加させ、変成部10、選択酸化部11に導入される改質ガスの流量を増加させることが効果的である。これにより、燃料処理装置7の起動時間、ひいては、燃料電池発電システム1の起動時間を短くすることができる。
In the above-described shift section / selective oxidation section preheating step (S105), the temperatures of the
しかしながら、変成部10、選択酸化部11に導入される改質ガスの流量を増加させると、燃焼部8に供給される燃焼用ガス3a’の流量も増加し、燃焼部8での燃焼量も増す。その結果、改質部9の温度が過度に上昇して、改質触媒等の劣化を招いてしまう。
However, if the flow rate of the reformed gas introduced into the
そこで、サブルーチン(S201からS208)では、まず、S103で改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達していると判定されると、回収水・循環水循環工程として、制御部18は、回収水閉止バルブ133にバルブ開閉信号i7を送信して開として、ポンプ108に起動する旨のポンプ制御信号i8を、ポンプ82に起動する旨のポンプ制御信号i6を送信し、ポンプ82、ポンプ108を起動して、回収水42a、循環水24aをそれぞれ回収水循環流路、循環水循環流路に循環させる(S201)。
Therefore, in the subroutine (S201 to S208), first, when it is determined in S103 that the temperature of the reforming unit 9 has reached the circulating water / recovered water circulation start temperature T1, the
そして、第1熱交換工程として、改質部9の周囲に形成されたジャケット12内を流れる第1の熱媒体としての回収水42aと、改質部9の改質ガスとの熱交換を行う(S202)。ジャケット12に導入される回収水42aは、気液接触塔170の貯液部71に貯留、冷却されているので、改質ガスとの熱交換を行うことで、改質部9の温度が過度に上昇することが防止される。また、ジャケット12で熱交換を行った回収水42aは、その温度が上昇する。温度が上昇した回収水42aは、循環水加熱器130に導入される。
In the first heat exchange step, heat is exchanged between the recovered
次に、第2熱交換工程として、循環水加熱器130によって、循環水加熱器130に導入される回収水42aと第2の媒体としての循環水24aとの熱交換が行われる(S203)。循環水加熱器130に導入される回収水42aは温度が上昇しているので、循環水24aとの熱交換を行うことで、循環水24aの温度は上昇し、回収水42aの温度は下降する。
Next, as the second heat exchange step, the circulating
つづいて、燃料電池予熱工程(S204)として、温度が上昇した循環水24aを燃料電池30等に導入し、燃料電池30を効率的な発電を行うための運転開始温度に加熱する。燃料電池は、温度が上昇すると、電気抵抗、不可逆過程による損失、いわゆる電極反応抵抗が小さくなるので発電性能が向上する。他方、等温変化で化学エネルギーから電気エネルギーに変換できる最大値、いわゆる理論効率は、燃料電池の温度が上昇するとともに減少する。そこで、燃料電池で効率的な発電を行うためには、電気抵抗、電極反応抵抗と理論効率とを勘案して最もバランスのとれた運転開始温度までいち早く温度を上昇させ、運転開始温度付近の温度を維持することが燃料電池発電システムの効率のよい運転にとって有効となる。さらにここでは、運転開始温度は、固体高分子型燃料電池の場合、用いるプロトン交換膜の耐熱温度を考慮して、好ましくは40℃から90℃、さらに好ましくは50℃から80℃程度である。
Subsequently, as the fuel cell preheating step (S204), the circulating
さらに、酸化剤ガス加湿装置予熱工程として、循環水加熱器130で循環水24aと熱交換を行った回収水42aは、貯液部71から、分岐管134、絞り弁134、回収水分岐流路41、燃焼ガス熱交換器83を通過して昇温された回収水42aと、回収水注入口78の略上流側でと合流し、酸化剤ガス加湿装置70を予熱する(S205)。これにより発電工程開始直後からすぐに酸化剤ガス61aを加温、加湿でき、酸化剤ガス61aを加温した状態で水蒸気を供給することで、燃料電池内30における酸化剤ガスが水蒸気飽和またはそれに近い状態を維持される。
Further, as the oxidant gas humidifier preheating step, the recovered
次に、制御部18は、変成部温度検知器16によって検知、送信される変成部温度信号i3及び循環水温度検知器17によって検知、送信される循環水温度信号i5を受信し、変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上、あるいは、循環水加熱器130と燃料電池30との間の昇温中の循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2以上に達しているか否かを判定する(S206)。
Next, the
変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上、あるいは、循環水加熱器130と燃料電池30との間の循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2以上に達していなければ、S202に戻り第1熱交換工程以降の工程を継続する。どちらか一方が所定の温度に達していると判定されたら次段に移行する。
The temperature of the
ここで、一酸化炭素低減部反応好適温度T3は上述した温度である。循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2は、燃料電池30の運転開始温度とほぼ同じ温度に設定してあり、好ましくは40℃から90℃、さらに好ましくは50℃から80℃程度である。循環水24aの温度が、これ以上高温になってしまうと、燃料電池30がオーバーヒートしてしまったり、燃料電池30の効率のよい発電の妨げとなってしまうからである。
Here, carbon monoxide reduction part reaction suitable temperature T3 is the temperature mentioned above. The recovered water circulation stop temperature T2 based on the circulating water temperature is set to substantially the same temperature as the operation start temperature of the
変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上、あるいは、循環水加熱器130と燃料電池30との間の循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2以上に達していると判定されると、第1熱交換停止工程として、制御部18は、回収水閉止バルブ133に回収水循環流路を閉止する旨のバルブ開閉信号i7を送信して回収水閉止バルブ133を閉止し、回収水循環流路の回収水42aの循環を停止し、ジャケット12での改質ガスと回収水42aとの熱交換を停止する(S207)。
The temperature of the
さらに、第2熱交換停止工程として、回収水42aの循環を停止することによって、循環水加熱器130での回収水42aと循環水24aとの熱交換も停止し(S208)、循環水24aにより燃料電池30を予熱するサブルーチン(S201からS208)は終了する。
Further, as the second heat exchange stop step, the circulation of the recovered
なお、S206で、変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達するよりも先に、循環水加熱器130と燃料電池30との間の循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2以上に達した場合には、サブルーチンでは、第1熱交換停止工程(S207)、第2熱交換停止工程(S208)が実行され、メインルーチンでは、変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達するのを待ってから、燃料ガス流路切替工程(S107)、発電工程(S108)、排熱温水循環工程(S109)が実行される。また、循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2以上に達するよりも先に、変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達した場合には、サブルーチンでは、第1熱交換停止工程(S207)、第2熱交換停止工程(S208)が、メインルーチンでは、燃料ガス流路切替工程(S107)、発電工程(S108)、排熱温水循環工程(S109)が、ほぼ同時に実行される。
In S206, the temperature of the circulating
つまり、どちらの場合でも、変成部10は、反応に適した温度まで予熱されることとなり、充分に一酸化炭素が低減された燃料ガス3aを燃料電池30に供給することができ、また、循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2に達するか、変成部10が反応に適した温度に達するまでは、燃料電池30が予熱されることとなる。そして、その後に、排熱温水43aの循環が開始される。
That is, in either case, the
燃料電池30が予熱され、変成部10が反応に適した温度まで予熱された後に、排熱温水循環工程(S109)が実行されるので、燃料電池発電システム1を起動した直後に、燃料電池30は循環水24aにより予熱されるため、運転開始温度まで立ち上がるのが速くなり、燃料電池30が予熱され、変成部10が反応に適した温度まで予熱された後に、排熱温水42aの循環が開始されるので、循環水24aの温度が所定の温度以上に上昇することは防止され、燃料電池30は運転開始温度を維持することができる。
After the
また、改質部予熱工程(S104)、変成部・選択酸化部予熱工程(S105)、回収水・循環水循環開始(S201)、第1熱交換工程(S202)は、典型的には、S103で改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達していると判定されるのと、略同時に実行される。 Also, the reforming section preheating step (S104), the transformation section / selective oxidation section preheating process (S105), the recovery water / circulation water circulation start (S201), and the first heat exchange step (S202) are typically performed in S103. When the temperature of the reforming unit 9 is determined to have reached the circulating water / recovered water circulation start temperature T1 or more, the reforming unit 9 is executed substantially simultaneously.
以上で説明した本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1及び燃料電池発電システム1の起動方法によれば、起動時に燃料処理装置7を冷却し、改質部9の過昇温を招くことなく改質ガス流量を増加させることができるので、一酸化炭素低減部14の予熱時間を短縮すると共に、この熱を燃料電池30での反応熱と合わせて燃料電池30の予熱に利用することにより、燃料電池30を発電開始までに運転開始温度に素速く予熱することができ、よって燃料電池発電システム1の起動時間を短くすることができる。これにより燃料電池発電システム1の経済性並びに利便性も向上する。
According to the fuel cell
また、以上で説明した本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1及び燃料電池発電システム1の起動方法によれば、起動時の発電効率の悪い時間を短くすることができるので、発電効率のよい燃料電池発電システム1及び燃料電池発電システム1の起動方法を提供することができる。
In addition, according to the fuel cell
さらに、以上で説明した本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1及び燃料電池発電システム1の起動方法によれば、燃料電池30の温度上昇に対して遅れをとらずに酸化剤ガス61aも素速く加湿することができるので、例えば、燃料電池30の固体高分子膜を損傷させることがなく、ひいては燃料電池発電システム1全体の寿命が向上する。
Furthermore, according to the fuel cell
なお、以上で説明した本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1及び燃料電池発電システム1の起動方法は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。
Note that the fuel cell
以上の説明では、燃料処理装置7の改質方式は、回収水42aを用いて改質する水蒸気改質方式として説明したが、部分改質方式あるいは自己熱改質方式(オートサーマル方式)とすることができる。部分改質方式は、原料燃料4aと空気とを混合し、原料燃料4aを部分燃焼させて水素に富む改質ガスを得る方式である。部分改質方式では、例えば(6)式で示される部分酸化反応が起こる。
CH4+(1/2)O2→CO+2H2 ・・・(6)
原料燃料4aを直接燃焼させる方式であるため水素発生までの時間を短縮することができる。なお、原料燃料と空気のモル比が一定以上であると(7)式で示される反応が起こることがある。
CH4+O2→CO+H2+H2O・・・(7)
In the above description, the reforming method of the fuel processing apparatus 7 has been described as a steam reforming method in which the recovered
CH 4 + (1/2) O 2 → CO + 2H 2 (6)
Since the
CH 4 + O 2 → CO + H 2 + H 2 O (7)
自己熱改質方式は、原料燃料4aと水蒸気の混合ガスに空気を混合する方法である。すなわち、回収水42aと空気の両方を用いる方法であり、触媒の存在下で原料燃料4aを部分燃焼させて熱を得て、水蒸気改質反応によって水素を得る方式である。この自己熱改質方式によれば、水蒸気改質反応で必要とされる熱を原料燃料の部分酸化反応による燃焼熱で賄うため、燃料処理装置7、燃料電池発電システム1のさらなる小型化に資することとなる。
The autothermal reforming method is a method in which air is mixed with a mixed gas of
つまり、以上で説明した実施の形態では、燃焼部は、バーナーによって燃料を燃焼させることで改質部を加熱するものとして説明したが、自己熱改質方式での燃焼部は、原料燃料の部分酸化反応によって発生する燃焼熱により、水蒸気改質反応を行う改質部を加熱するように構成されている。水蒸気改質反応を行う改質部を加熱する燃焼部は、原料燃料の部分酸化反応を行う部分となる。なお、加熱部は、以上の説明のように燃料等を燃焼して加熱する燃焼部に限らず、改質部を加熱する構成であるものを広く含むものである。 That is, in the embodiment described above, the combustion unit is described as heating the reforming unit by burning fuel with a burner, but the combustion unit in the self-thermal reforming method is a part of the raw fuel. The reforming section that performs the steam reforming reaction is heated by the combustion heat generated by the oxidation reaction. The combustion part that heats the reforming part that performs the steam reforming reaction is a part that performs the partial oxidation reaction of the raw material fuel. Note that the heating unit is not limited to the combustion unit that burns and heats fuel or the like as described above, but includes a wide range of components that heat the reforming unit.
以上の説明では、一酸化炭素低減部14の温度を検知する温度検知器は、変成部10の温度を検知するものとして説明したが、選択酸化部11の温度を検知するように構成してもよい。この場合、一酸化炭素低減部反応好適温度T3は、選択酸化部11での選択酸化反応に適した温度でとして設定することが好適であり、好ましくは100℃から200℃、さらに好ましくは100℃から160℃程度である。
In the above description, the temperature detector that detects the temperature of the carbon
以上の説明では、循環水24aは、起動時には、循環水加熱器130で加熱され、燃料電池30を所定の温度まで予熱し、燃料電池30が一定量の電力を発電する定格運転時には、循環水冷却器110で冷却され、燃料電池30を冷却するものとして説明した。この場合には、燃料電池発電システムをより単純な構成とすることができる。しかし、予熱用水としての循環水の循環流路と、燃料電池30を冷却する冷却水としての循環水の循環流路を別々に設けてもよい。この場合には、燃料電池発電システムの設計条件、使用に応じて適宜柔軟な対応が可能となる。
In the above description, the circulating
以上の説明では、循環水加熱器130と循環水冷却器110とは別体に構成するものとして説明したが、一体に構成して三流体熱交換器としてもよい。この場合、三流体熱交換器は、起動時には回収水42aと循環水24aとを熱交換し、更に定格運転時には循環水24aと排熱温水43aとを熱交換する3流体の熱交換器であって、プレート式又は多管式熱交換器が好適に用いられる。
In the above description, the circulating
以上の説明では、循環水冷却器110の冷媒として排熱温水43aを用いるものとして説明したが、排熱温水以外の流体を用いてもよいし、循環水冷却器110をエアフィンクーラーとして空冷タイプとしてもよいし、あるいは、冷却塔により循環水24aを冷却する構成としてもよい。
In the above description, the exhaust heat
以上の説明では、一酸化炭素低減部14は、変成部10と選択酸化部11とを含んで構成されるものとして説明したが、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減できるような構成であればよく、例えば選択酸化部11を備えない構成とすることができる。この場合、装置をよりコンパクトな構成とすることができる。
In the above description, the carbon
1 燃料電池発電システム
7 燃料処理装置
8 燃焼部
9 改質部
10 変成部
11 選択酸化部
12 ジャケット
13 三方弁
14 一酸化炭素低減部
15 改質部温度検知器
16 変成部温度検知器
17 循環水温度検知器
18 制御部
30 燃料電池
41 回収水分岐流路
70 酸化剤ガス加湿装置
71 貯液部
83 燃焼ガス熱交換器
110 循環水冷却器
114 料ガス熱交換器
120 貯湯タンク
130 環水加熱器
133 回収水閉止バルブ
134 絞り弁
135 分岐管
170 気液接触装置
3a 燃料ガス
3a’ 燃焼用ガス
4a 原料燃料
5a 燃焼空気
6a 燃焼ガス
21a アノードオフガス
22a カソードオフガス
24a 循環水
42a、42A、42B、42C 回収水
43a 排熱温水
61a 酸化剤ガス
63a 混合ガス
64a 排ガス
T1 循環水・回収水循環開始温度
T2 循環水温度に基づく回収水循環停止温度
T3 一酸化炭素低減部反応好適温度
i1 制御信号
i2 改質部温度信号
i3 変成部温度信号
i4 ポンプ制御信号
i5 循環水温度信号
i6 ポンプ制御信号
i7 バルブ開閉信号
i8 ポンプ制御信号
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記発生した水を回収水として回収し貯留する貯留装置と;
原料燃料と、前記回収水又は空気とを供給して原料燃料を改質し、改質ガスを生成する改質部と、前記改質部の周囲に形成され熱交換をする熱交換部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減して前記燃料ガスを生成する一酸化炭素低減部とを有する燃料処理装置と;
前記回収水と前記燃料電池を予熱する予熱用水との熱交換を行う予熱用水加熱器と;
前記貯留装置から、前記熱交換部と、前記予熱用水加熱器と、前記貯留装置に至る前記回収水の回収水循環流路と;
前記燃料電池から、前記予熱用水加熱器と、前記燃料電池に至る予熱用水の予熱用水循環流路とを備える;
燃料電池発電システム。 A fuel cell that generates water by generating an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas and generates water;
A storage device for recovering and storing the generated water as recovered water;
Reforming the raw material fuel and supplying the recovered water or air to reform the raw material fuel to generate a reformed gas; and a heat exchanging unit formed around the reforming unit for heat exchange; A fuel processing apparatus comprising: a heating unit that heats the reforming unit; and a carbon monoxide reduction unit that reduces the carbon monoxide in the reformed gas to generate the fuel gas;
A preheating water heater for exchanging heat between the recovered water and preheating water for preheating the fuel cell;
From the storage device, the heat exchange unit, the preheating water heater, and the recovered water circulation passage for the recovered water reaching the storage device;
The preheating water heater from the fuel cell, and a preheating water circulation passage for preheating water to the fuel cell;
Fuel cell power generation system.
前記貯留装置と前記熱交換部との間の前記回収水循環流路に配設され、前記回収水循環流路を分岐させる分岐手段と;
前記分岐手段から前記酸化剤ガス加湿装置に至る流路と;
前記分岐手段と前記熱交換部との間の前記回収水循環流路に配設され、前記回収水循環流路を閉止する回収水循環流路閉止手段を備える;
請求項1に記載の燃料電池発電システム。 An oxidant gas humidifier configured integrally with the storage device and humidifying the oxidant gas by circulating the recovered water;
A branching unit that is disposed in the recovered water circulation channel between the storage device and the heat exchange unit, and branches the recovered water circulation channel;
A flow path from the branching means to the oxidant gas humidifier;
A recovery water circulation passage closing means disposed in the recovery water circulation passage between the branching means and the heat exchanging section and closing the recovery water circulation passage;
The fuel cell power generation system according to claim 1.
請求項2に記載の燃料電池発電システム。 When the reforming section is heated and the reforming section reaches the first temperature, the preheating water is circulated through the preheating water circulation passage, and the recovered water is circulated through the recovery water circulation passage. When the preheating water is heated, and the temperature of the preheating water between the preheating water heater and the fuel cell becomes the second temperature, or the temperature of the carbon monoxide reduction unit becomes the third temperature. A control device for closing the recovered water circulation passage closing means;
The fuel cell power generation system according to claim 2.
前記改質部が第1の温度になった際に、前記改質ガスと第1の媒体との熱交換をする第1熱交換工程と;
前記第1の媒体と第2の媒体との熱交換をする第2熱交換工程と;
前記第2の媒体が燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池を加熱する燃料電池予熱工程と;
前記第2の媒体が第2の温度、又は前記改質ガス中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスを前記燃料ガスとして生成する一酸化炭素低減部の温度が第3の温度になった際に、前記改質ガスと前記第1の媒体との熱交換を停止する第1熱交換停止工程とを備える;
燃料電池発電システムの起動方法。 A reforming section preheating step of supplying the feedstock fuel and water or air to reform the feedstock fuel and heating the reforming section that generates reformed gas;
A first heat exchanging step of exchanging heat between the reformed gas and the first medium when the reforming unit reaches a first temperature;
A second heat exchange step for exchanging heat between the first medium and the second medium;
A fuel cell preheating step in which the second medium heats a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
The second medium is the second temperature, or the temperature of the carbon monoxide reduction unit that reduces the carbon monoxide in the reformed gas and generates the carbon monoxide reduced gas as the fuel gas is the third temperature. A first heat exchange stopping step for stopping heat exchange between the reformed gas and the first medium when
A method for starting a fuel cell power generation system.
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