JP2005302631A - Fuel cell generating system - Google Patents

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Hidenobu Wakita
英延 脇田
Kiyoshi Taguchi
清 田口
Seiji Fujiwara
誠二 藤原
Kunihiro Ukai
邦弘 鵜飼
Jiro Suzuki
次郎 鈴木
Yukimune Kani
幸宗 可児
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that it is impossible to secure long-time stable operation when impurities, such as sulfur oxide, hydrogen sulfide, and flame retardant organic compound, are mixed in air for anode air bleeding of a fuel cell, air for selective oxidation, air for purging during system suspension, and air for heating a shift catalyst. <P>SOLUTION: A fuel cell system comprising a hydrogen generating apparatus is structured such that the cathode off-gas of a fuel cell 4 is used for at least any one of the air for anode air bleeding, air for selective oxidation, air for purging during system suspension, and air for heating a shift catalyst. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関する。さらに詳しくは、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水を触媒に流通させ一酸化炭素を含有する水素リッチガスを発生させる水素生成装置と、燃料電池とを有する燃料電池発電システムにおいて、水素生成装置もしくは燃料電池のアノードに流通させる空気に含まれる不純物除去に関する。   The present invention relates to a fuel cell power generation system. More specifically, in a fuel cell power generation system having a fuel cell and a hydrogen generator that generates a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide by flowing a raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen and water through a catalyst. Further, the present invention relates to the removal of impurities contained in the air flowing through the anode of the hydrogen generator or the fuel cell.

固体高分子型燃料電池(PEFC)は、酸素と水素から発電される。PEFCのカソードに送られる空気の中の不純物は、電圧低下を引き起こすため、有機溶剤などの不純物を除去する触媒燃焼器などが提案されてきた(例えば、特許文献1参照)。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) generates electricity from oxygen and hydrogen. Since impurities in the air sent to the cathode of the PEFC cause a voltage drop, a catalytic combustor that removes impurities such as organic solvents has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

水素の工業的製造法としては水の電気分解などがあり、その他には炭化水素ガスの水蒸気改質法、部分酸化法、両者を組み合わせたオートサーマル法などがある。これらの改質法では、メタン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス、LPガス、その他の炭化水素ガス(二種類以上の炭化水素の混合ガスを含む)、メタノール等のアルコールに例示されるような少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を改質して水素リッチガスを生成させるが、いずれの場合にも改質装置が用いられる。PEFCに供給する水素リッチガス中の一酸化炭素(CO)含有量は50ppm(容量、以下同じ)程度が限度であり、これを越えると電池性能が著しく劣化するので、COはPEFCへ導入する前にできる限り除去する必要がある。水蒸気改質において生成する改質ガス中には未反応のメタン、未反応の水蒸気、炭酸ガスのほか、通常8〜15%(容量、以下同じ)程度のCOが副生する。このため上記水素リッチガスは、この副生COを除去するためにシフト反応部へ導入される。シフト反応部ではシフト反応(1)によりCOが炭酸ガスと水素に変えられる。シフト反応部を経て得られる水素リッチガスについても、COは完全には除去されず、微量のCOが含まれている。このため、空気等の酸化剤ガスを添加し、CO選択酸化部において、CO選択酸化反応(2)により、COを50ppm以下、好ましくは10ppm以下に低減させる。こうして精製された水素リッチガスがPEFCのアノードに供給される。しかし、負荷が変化する場合など、CO濃度が上昇する場合に備えて、アノードにさらに空気を供給し、アノード電極触媒のCO被毒を抑制するエアーブリージングが行われることも多い。   Industrial production of hydrogen includes electrolysis of water, and other methods include steam reforming of hydrocarbon gas, partial oxidation, and an autothermal method combining both. In these reforming methods, as exemplified by methane, ethane, propane, butane, city gas, LP gas, other hydrocarbon gases (including a mixed gas of two or more hydrocarbons), and alcohols such as methanol. A raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen is reformed to generate a hydrogen rich gas. In either case, a reformer is used. Carbon monoxide (CO) content in the hydrogen-rich gas supplied to PEFC is limited to about 50 ppm (capacity, the same applies hereinafter), and battery performance deteriorates significantly beyond this, so before CO is introduced into PEFC It should be removed as much as possible. In the reformed gas generated in the steam reforming, in addition to unreacted methane, unreacted steam, and carbon dioxide, about 8 to 15% (capacity, the same applies hereinafter) of CO is by-produced. For this reason, the hydrogen-rich gas is introduced into the shift reaction unit in order to remove the by-product CO. In the shift reaction section, CO is changed to carbon dioxide and hydrogen by the shift reaction (1). Also for the hydrogen-rich gas obtained through the shift reaction part, CO is not completely removed, and a trace amount of CO is contained. For this reason, an oxidant gas such as air is added, and CO is reduced to 50 ppm or less, preferably 10 ppm or less by the CO selective oxidation reaction (2) in the CO selective oxidation unit. The purified hydrogen-rich gas is supplied to the PEFC anode. However, in order to prepare for a case where the CO concentration increases, such as when the load changes, air breathing is often performed to further supply air to the anode and suppress CO poisoning of the anode electrode catalyst.

CO+HO→CO+H (1)
CO+1/2O→CO (2)
家庭用燃料電池では、効率を向上させるため、電力の消費量が少ないときは機器を停止させることが望ましい。このとき、系内に燃料や水素が残留したままでは、安全上の問題があるため、不燃性ガスでパージさせる必要がある。家庭用燃料電池では、Nボンベなどを常設することが困難であるため、水素生成装置、アノード流路を水蒸気パージしてから水蒸気が凝縮しない温度域で空気パージを行う方法などが提案されている。
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (1)
CO + 1 / 2O 2 → CO 2 (2)
In a domestic fuel cell, in order to improve efficiency, it is desirable to stop the device when power consumption is small. At this time, if fuel or hydrogen remains in the system, there is a safety problem, so it is necessary to purge with nonflammable gas. In home fuel cells, it is difficult to permanently install N 2 cylinders, etc., so a hydrogen generation device, a method of purging air in the temperature range where water vapor is purged after the anode flow path is not condensed, and the like have been proposed. Yes.

燃料電池のカソード以外で、水素生成装置内の触媒、燃料電池の電極触媒において空気が送られる場合としては、アノードエアーブリージング用空気、選択酸化用空気、システム停止時のパージ用空気、シフト触媒加熱用空気が挙げられる。これらにおいて用いられる空気は、カソード空気に比べて少なく、例えば1kWの燃料電池の場合、カソードに供給される空気量は65Nl/min(以下0℃、1atm換算の値をこのように記す)であるのに対し、アノードエアーブリージング用空気、選択酸化用空気、システム停止時のパージ用空気、シフト触媒加熱用空気の供給量はそれぞれ、0.3Nl/min、0.5Nl/min、20-100Nl/回、0.5NL/minといったオーダーである。また、これらの空気中に含まれる不純物成分としては、硫黄酸化物、硫化水素、窒素酸化物、アンモニアなどの無機ガスと、アミン、脂肪酸、芳香族化合物、アルデヒドなどの有機ガスが挙げられる。これらのガスの濃度は一般的に数十ppm〜数ppbである。また、エアーブリージング時にアノードで起こる反応、およびCO選択酸化部で起こる反応は酸化反応であるため、アセトアルデヒドなど容易に燃焼される物質の場合影響は少ない。また、触媒動作温度はそれぞれ、改質触媒、シフト触媒、選択酸化触媒は、それぞれ約700℃、約300℃、約150℃であり、カソード電極触媒動作温度(70−80℃)に比べて高い。一般に吸着は温度が高いほど起こりにくいため、温度だけから比較すると、水素生成器装置の触媒に比べて、カソード電極触媒に被毒物質は吸着しやすい。しかし、上記水素生成装置内の各触媒に対して硫黄酸化物や硫化水素のような永久被毒物質がきた場合、触媒の活性点は覆われ、数万時間といった長期間の曝露を受けると、最終的に特性低下となって現れる。また、難燃性の有機物は貴金属などの酸化活性の高い触媒でも200℃以上でないと燃えない。例えば、トルエンなどが空気中に含まれる場合、アノード電極触媒や選択酸化触媒上に残留し、被毒物質として作用する。   Other than the fuel cell cathode, the air in the hydrogen generator, the fuel cell electrode catalyst, air is sent to the anode air breathing air, selective oxidation air, purge air when the system is stopped, shift catalyst heating Air. The amount of air used in these is less than that of cathode air. For example, in the case of a 1 kW fuel cell, the amount of air supplied to the cathode is 65 Nl / min (hereinafter referred to as 0 ° C., 1 atm equivalent value). In contrast, the supply amount of anode air breathing air, selective oxidation air, purge air when the system is stopped, and shift catalyst heating air is 0.3 Nl / min, 0.5 Nl / min, 20-100 Nl / times, The order is 0.5NL / min. Examples of impurity components contained in the air include inorganic gases such as sulfur oxide, hydrogen sulfide, nitrogen oxide, and ammonia, and organic gases such as amines, fatty acids, aromatic compounds, and aldehydes. The concentration of these gases is generally several tens of ppm to several ppb. In addition, since the reaction that occurs at the anode during air breathing and the reaction that occurs at the CO selective oxidation unit is an oxidation reaction, there is little influence in the case of an easily combusted substance such as acetaldehyde. The catalyst operating temperatures are about 700 ° C., about 300 ° C., and about 150 ° C. for the reforming catalyst, shift catalyst, and selective oxidation catalyst, respectively, which are higher than the cathode electrode catalyst operating temperature (70-80 ° C.). . In general, adsorption is less likely to occur at higher temperatures, and therefore, compared to the temperature alone, poisonous substances are more likely to be adsorbed to the cathode electrode catalyst than the catalyst of the hydrogen generator device. However, when a permanent poisonous substance such as sulfur oxide or hydrogen sulfide comes to each catalyst in the hydrogen generator, the active site of the catalyst is covered and subjected to long-term exposure such as tens of thousands of hours. Eventually it appears as a characteristic degradation. In addition, a flame-retardant organic substance does not burn even if it has a high oxidation activity such as a noble metal unless it is 200 ° C. or higher. For example, when toluene or the like is contained in the air, it remains on the anode electrode catalyst or the selective oxidation catalyst and acts as a poisoning substance.

このため、発明者らは水素生成装置と燃料電池間に空気を混入する空気供給部とを備えた燃料電池発電システムにおいて、空気中に含まれる不純物を除去する不純物除去手段を備えることを提案してきた(例えば、未公開自社出願の特願2003−405016号参照)。
特開2000−277139号公報
For this reason, the inventors have proposed that in a fuel cell power generation system including a hydrogen generator and an air supply unit that mixes air between fuel cells, an impurity removing unit that removes impurities contained in the air is provided. (For example, see Japanese Patent Application No. 2003-405016 of an unpublished company application).
JP 2000-277139 A

しかし、上記特許文献2記載の発明においては空気中に含まれる不純物を除去する不純物除去手段を別途備える必要があるといった問題がある。   However, the invention described in Patent Document 2 has a problem that it is necessary to separately provide an impurity removing means for removing impurities contained in the air.

また、カソードに送る不純物除去フィルターを通過した空気を分岐して用いた場合でも、カソードに用いる空気量は多いため(例えば、65Nl/min)、フィルターを頻繁に交換を行わない限り完全に空気中の不純物を除去することは困難であるという問題もある。   Even when the air that has passed through the impurity removal filter sent to the cathode is branched and used, the amount of air used for the cathode is large (for example, 65 Nl / min), so it is completely in the air unless the filter is frequently replaced. There is also a problem that it is difficult to remove the impurities.

上記課題を解決するために本発明の燃料電池システムは、原料と水から一酸化炭素を含有する水素リッチガスを生成する改質部と、前記水素リッチガス中の一酸化炭素と水から水素と二酸化炭素を生成するシフト反応部と、前記シフト反応部にて除去されなかった前記水素リッチガス中の一酸化炭素を低減するための一酸化炭素除去部とを有する水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される前記水素リッチガスと、酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
前記水素生成装置に空気を供給する空気供給部とを備え、
前記空気供給部に前記燃料電池のカソードオフガスを供給することを特徴とする。
In order to solve the above problems, a fuel cell system of the present invention includes a reforming unit that generates a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide from a raw material and water, hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water in the hydrogen-rich gas. A hydrogen generating device comprising: a shift reaction unit that generates a carbon monoxide; and a carbon monoxide removal unit for reducing carbon monoxide in the hydrogen-rich gas that has not been removed in the shift reaction unit;
A fuel cell that generates power using the hydrogen-rich gas supplied from the hydrogen generator and an oxidant gas containing oxygen;
An air supply unit for supplying air to the hydrogen generator,
A cathode off gas of the fuel cell is supplied to the air supply unit.

また、本発明の燃料電池システムは、原料と水から一酸化炭素を含有する水素リッチガスを生成する改質部と、前記水素リッチガス中の一酸化炭素と水から水素と二酸化炭素を生成するシフト反応部と、前記シフト反応部にて除去されなかった前記水素リッチガス中の一酸化炭素を低減するための一酸化炭素除去部とを有する水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される前記水素リッチガスと、酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
(1)前記改質部と前記シフト反応部との間、(2)前記シフト反応部と前記一酸化炭素除去部との間、及び(3)前記一酸化炭素除去部と前記燃料電池との間の少なくとも1箇所に空気を供給する空気供給部とを備え、
前記空気供給部に前記燃料電池のカソードオフガスを供給することを特徴とする。
The fuel cell system of the present invention includes a reforming unit that generates a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide from a raw material and water, and a shift reaction that generates hydrogen and carbon dioxide from the carbon monoxide and water in the hydrogen-rich gas. And a hydrogen generator having a carbon monoxide removing unit for reducing carbon monoxide in the hydrogen-rich gas that has not been removed in the shift reaction unit,
A fuel cell that generates power using the hydrogen-rich gas supplied from the hydrogen generator and an oxidant gas containing oxygen;
(1) Between the reforming section and the shift reaction section, (2) Between the shift reaction section and the carbon monoxide removal section, and (3) Between the carbon monoxide removal section and the fuel cell. An air supply part for supplying air to at least one place in between,
A cathode off gas of the fuel cell is supplied to the air supply unit.

本発明の燃料電池発電システムによれば、アノードおよび水素生成装置に送られる空気に不純物が十分除去されている燃料電池のカソードオフガスを用いることにより、長期間にわたり、高い特性を維持することができる。   According to the fuel cell power generation system of the present invention, high characteristics can be maintained over a long period of time by using the cathode offgas of the fuel cell from which impurities are sufficiently removed in the air sent to the anode and the hydrogen generator. .

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.

図1において、燃料中の硫黄成分を吸着除去する吸着剤を経た燃料が水と混合され、加熱されて、Ru/アルミナ触媒を充填した改質反応部1に導入される。改質触媒の温度は燃料にもよるが、都市ガスの場合、改質触媒出口直後の温度は650℃程度に保たれる。改質反応部1の下流側には耐酸化性の水性ガスシフト反応触媒であるPt/CeZrOx触媒を充填したシフト反応部2が設置されている。また、改質反応部1の下流側には、シフト触媒加熱用空気供給部13が設置されている。シフト反応部2の下流側には、CO選択酸化用空気供給部8が設置されており、CO選択酸化用空気供給部8の下流にRu/アルミナ触媒を充填したCO選択酸化反応部3が設置されている。CO選択酸化反応部3の下流側には、アノードエアーブリージング用空気供給部9が設置されており、アノードエアーブリージング用空気供給部9の下流に、固体高分子型燃料電池4が設置されている。燃料電池アノード触媒としては、例えばPt-Ru/C触媒が挙げられる。カソード用空気は不純物除去手段5を通過した後、全熱交換器11を通過し加湿された後、燃料電池4のカソードに送られる。カソードに送られた空気中の酸素は反応に用いられ、カソードオフガス15として排出される。燃料電池運転条件にもよるが、カソードオフガスは酸素濃度13−14%(ドライベース)、露点65℃である。カソードオフガスは、全熱交換器11でカソードへ供給される空気と熱交換され、除湿された後、CO選択酸化用空気供給部8、アノードエアーブリージング用空気供給部9を通じて、CO選択酸化反応部3、固体高分子型燃料電池4のアノード極にそれぞれ送られる。ここでの供給量は一例を挙げるとそれぞれ0.5Nl/min、0.3Nl/minである。また、燃料電池停止時にシステム内に水素や都市ガスなどの可燃ガスが残留すると危険であるため、システム系内を空気パージする必要がある。本発明では、停止時に改質触媒のRuが酸化しない温度まで装置を冷却した後、バルブ7を開け、カソードオフガスをパージ用空気供給部6を通じて、改質部反応部1に供給し、シフト反応部2,CO選択酸化反応部3、固体高分子型燃料電池4へと順に空気で置換していく。ここで置換する空気量としては、例えば2Nl/minで10分間である。なお、ここでは、リザーバータンク14にカソードオフガスを貯蔵し、停止時にはこのリザーバータンク14からポンプ12を通じて、パージ用空気を送る構成とした。また、300Wのときなどの低負荷時には、水素生成装置内に流れるガス量が少なくなるため、シフト触媒を反応温度に保つことが困難となる。このようなとき、シフト触媒加熱用空気供給部13を通じて、シフト触媒が加熱される。ここで加える空気量としては、例えば、0.3Nl/minである。なお、アノードオフガス16は、水分が除去された後、空気とともに改質加熱用バーナー17に送られ、燃焼させ、水素生成装置18の加熱に用いられる。   In FIG. 1, fuel that has passed through an adsorbent that adsorbs and removes sulfur components in the fuel is mixed with water, heated, and introduced into the reforming reaction section 1 filled with a Ru / alumina catalyst. Although the temperature of the reforming catalyst depends on the fuel, in the case of city gas, the temperature immediately after the reforming catalyst outlet is maintained at about 650 ° C. A shift reaction unit 2 filled with a Pt / CeZrOx catalyst, which is an oxidation-resistant water gas shift reaction catalyst, is installed on the downstream side of the reforming reaction unit 1. A shift catalyst heating air supply unit 13 is installed downstream of the reforming reaction unit 1. A CO selective oxidation air supply unit 8 is installed downstream of the shift reaction unit 2, and a CO selective oxidation reaction unit 3 filled with Ru / alumina catalyst is installed downstream of the CO selective oxidation air supply unit 8. Has been. An anode air breathing air supply unit 9 is installed downstream of the CO selective oxidation reaction unit 3, and a polymer electrolyte fuel cell 4 is installed downstream of the anode air breathing air supply unit 9. . Examples of the fuel cell anode catalyst include a Pt—Ru / C catalyst. The cathode air passes through the impurity removing means 5, passes through the total heat exchanger 11, is humidified, and then sent to the cathode of the fuel cell 4. Oxygen in the air sent to the cathode is used for the reaction and discharged as cathode offgas 15. Depending on the fuel cell operating conditions, the cathode off-gas has an oxygen concentration of 13-14% (dry base) and a dew point of 65 ° C. The cathode off-gas is heat-exchanged with the air supplied to the cathode in the total heat exchanger 11, dehumidified, and then through the CO selective oxidation air supply unit 8 and the anode air breathing air supply unit 9, the CO selective oxidation reaction unit. 3. It is sent to the anode electrode of the polymer electrolyte fuel cell 4 respectively. For example, the supply amounts here are 0.5 Nl / min and 0.3 Nl / min, respectively. In addition, since it is dangerous if flammable gas such as hydrogen or city gas remains in the system when the fuel cell is stopped, it is necessary to purge the system system with air. In the present invention, after the apparatus is cooled to a temperature at which Ru of the reforming catalyst is not oxidized at the time of stoppage, the valve 7 is opened, and the cathode off gas is supplied to the reforming section reaction section 1 through the purge air supply section 6. Part 2, CO selective oxidation reaction part 3, and polymer electrolyte fuel cell 4 are sequentially replaced with air. The amount of air to be replaced here is, for example, 2 Nl / min for 10 minutes. Here, the cathode off gas is stored in the reservoir tank 14, and purge air is sent from the reservoir tank 14 through the pump 12 when stopped. In addition, when the load is low, such as 300 W, the amount of gas flowing in the hydrogen generator is reduced, making it difficult to keep the shift catalyst at the reaction temperature. In such a case, the shift catalyst is heated through the shift catalyst heating air supply unit 13. The amount of air added here is, for example, 0.3 Nl / min. The anode off-gas 16 is sent to the reforming and heating burner 17 together with air after the moisture is removed, burned, and used for heating the hydrogen generator 18.

貴金属触媒への永久被毒を考えた場合、被毒物質が貴金属露出表面の数十分の1から1/2程度を覆うと顕著な被毒を及ぼすといわれている。1kW級燃料電池では、アノード触媒で用いられるPt、Ruはそれぞれ0.02mol程度であり、0.5ppmの硫化水素を含む空気を0.3Nl/minでエアーブリージングとして送ると、数千〜数万時間で触媒に影響を及ぼす蓄積量となる。選択酸化反応の場合、1kW級燃料電池で、数千ppmのCOを含むガスを処理することを考えると、0.5Nl/minの空気を送る必要があり、Ru6g/lのハニカムを200cc用いた場合、0.5ppmの硫化水素を含む空気が送られると数百から数千時間で触媒に影響を及ぼす蓄積量となる。また、低負荷運転時貴金属系シフト触媒を加熱するため、シフト触媒に空気を供給し触媒燃焼を起こさせる場合があるが、貴金属系シフト触媒としてはPt/CeZrOx触媒を用いた場合、触媒下流では還元雰囲気になるため硫黄化合物は硫化水素として排出され、選択酸化触媒を被毒する。   When considering permanent poisoning to the noble metal catalyst, it is said that the poisoning substance will cause remarkable poisoning if it covers about 1 to 1/2 of the exposed surface of the noble metal. In a 1 kW class fuel cell, Pt and Ru used in the anode catalyst are about 0.02 mol each. When air containing 0.5 ppm of hydrogen sulfide is sent as air breathing at 0.3 Nl / min, thousands to tens of thousands Accumulated amount that affects the catalyst over time. In the case of the selective oxidation reaction, it is necessary to send air of 0.5 Nl / min in consideration of processing a gas containing several thousand ppm of CO in a 1 kW class fuel cell, and 200 cc of a Ru 6 g / l honeycomb was used. In this case, when air containing 0.5 ppm of hydrogen sulfide is sent, the accumulated amount affects the catalyst in several hundred to several thousand hours. In addition, in order to heat the precious metal shift catalyst during low load operation, air may be supplied to the shift catalyst to cause catalytic combustion. However, when a Pt / CeZrOx catalyst is used as the precious metal shift catalyst, Since it is in a reducing atmosphere, the sulfur compound is discharged as hydrogen sulfide and poisons the selective oxidation catalyst.

なお、選択酸化触媒に対するSO2が及ぼす影響もほぼ同程度であった。シフト触媒に及ぼす影響としては、温度、ガス雰囲気によるが、酸化雰囲気では、硫酸塩として担体に蓄積され、還元雰囲気では、硫化水素として排出される。 The influence of SO 2 on the selective oxidation catalyst was almost the same. The influence on the shift catalyst depends on the temperature and gas atmosphere, but in the oxidizing atmosphere, it is accumulated on the carrier as sulfate, and in the reducing atmosphere, it is discharged as hydrogen sulfide.

水素生成装置パージ用空気を改質反応部入り口から送り込む場合では、改質触媒であるRu触媒が最も顕著な影響を受ける。2wt%のRu/アルミナ触媒を300g用いる場合を考えると、Ru量は0.06molとなり、0.5ppmの硫化水素を含む空気が一回のパージで100Nl送られると、数百から数千回のパージで触媒に影響を及ぼす蓄積量となる。毎日起動停止を行うと10年で3650回起動停止を行うことになるので、長期的な使用の場合この影響は無視できない。ここでは、硫化水素について述べたが、硫化水素の場合、火山地域や温泉地域でのみ、空気中濃度が0.05〜10ppmになりうる。しかし、硫黄酸化物は貴金属触媒上で水素が存在する還元雰囲気下では容易に硫化水素に変換されるため、触媒種とガス雰囲気によっては硫黄酸化物の影響も硫化水素と等しくなる場合がある。ちなみに、硫黄酸化物の濃度は環境基準は0.04ppmであるため、交通量の多い道路近辺に設置された燃料電池の場合、長期的には影響を及ぼす可能性がある。   When the hydrogen generator purge air is sent from the reforming reaction section inlet, the Ru catalyst as the reforming catalyst is most significantly affected. Considering the case of using 300 g of a 2 wt% Ru / alumina catalyst, the Ru amount is 0.06 mol, and when 100 Nl of air containing 0.5 ppm of hydrogen sulfide is sent in one purge, several hundred to several thousand times The amount of accumulation that affects the catalyst by purging. If the activation is stopped every day, the activation is stopped 3650 times in 10 years, so this effect cannot be ignored for long-term use. Although hydrogen sulfide has been described here, in the case of hydrogen sulfide, the concentration in the air can be 0.05 to 10 ppm only in a volcanic area or a hot spring area. However, since sulfur oxides are easily converted to hydrogen sulfide in a reducing atmosphere in which hydrogen is present on the noble metal catalyst, the influence of sulfur oxides may be equal to hydrogen sulfide depending on the catalyst type and gas atmosphere. Incidentally, since the environmental standard for the concentration of sulfur oxide is 0.04 ppm, in the case of a fuel cell installed in the vicinity of a road with a lot of traffic, there is a possibility that it will be affected in the long term.

また、塗料などに含まれるトルエンなどは難燃性であり、貴金属触媒を用いても200℃まではほとんど酸化分解しないため、アノード電極触媒や選択酸化触媒が動作する温度では触媒上に残留し、被毒物質として作用する。悪臭防止法におけるトルエンの規制基準は第一種地域では10ppmであり、塗料の臭気が常時漂うような場所では、その影響は大きい。同様にして、難燃性の有機物質(アミン、脂肪酸を含む)が常時存在する場合、触媒被毒の要因となる。なお、窒素酸化物の触媒に及ぼす影響は、可逆的であり、窒素酸化物が触媒上にきても、脱着し易いため、触媒上に残留することはなく、影響は少ない。   In addition, toluene contained in paints and the like is flame retardant, and even if a noble metal catalyst is used, it hardly oxidatively decomposes up to 200 ° C. Therefore, it remains on the catalyst at a temperature at which the anode electrode catalyst or the selective oxidation catalyst operates, Acts as a poisonous substance. The regulation standard of toluene in the Odor Control Law is 10 ppm in the first type area, and the influence is great in places where the odor of paint is always floating. Similarly, when flame retardant organic substances (including amines and fatty acids) are always present, it becomes a factor of catalyst poisoning. The influence of nitrogen oxides on the catalyst is reversible, and even if nitrogen oxides are present on the catalyst, they are easily desorbed, so that they do not remain on the catalyst and the influence is small.

カソードにおいては通常Pt/C触媒が使用され、0.7V付近に電位が保たれる。高い電位は、一般に酸化反応が起こりやすい。例えば、硫黄化合物の場合は、以下の式で示される標準電位(vs. SHE)となる。   In the cathode, a Pt / C catalyst is usually used, and the potential is maintained around 0.7V. High potentials generally tend to cause oxidation reactions. For example, in the case of a sulfur compound, the standard potential (vs. SHE) represented by the following formula is obtained.

Figure 2005302631
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Figure 2005302631
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上述のようにカソ−ド電位は0.7V位なので、pHなどの影響を除外し、電位だけから考えると反応は左に進みカソード電極は、硫黄化合物は触媒被毒として機能しない。なお、カソード電極触媒では、SO4 2-は特に被毒物質として働かない。また、SO2がカソードに供給されても電位の低下は認められない。 Since the cathode potential is about 0.7 V as described above, the reaction proceeds to the left when the influence of pH and the like is excluded and only the potential is considered, and the cathode electrode does not function as a poison for the sulfur compound. In the cathode electrode catalyst, SO 4 2- does not particularly act as a poisoning substance. Further, no decrease in potential is observed even when SO 2 is supplied to the cathode.

カソードでは酸素が介在するため、有機化合物などはアルデヒド、脂肪酸などの含酸素化合物へと酸化される。含酸素化合物は、水素結合しやすいため、水に溶解しやすくなる。カソードでは、水が多量に存在するため、たとえ、不純物がカソードの不純物除去手段を通過してきたとしても結果的に電池内で水に溶解する。また、カソードに用いられる触媒はPtであるため、電位によってはアルデヒドなどがPt表面に吸着することもある。このように、カソードオフガス中の不純物は極めて少なくなる。   Since oxygen is present at the cathode, organic compounds and the like are oxidized into oxygen-containing compounds such as aldehydes and fatty acids. Since the oxygen-containing compound is easily hydrogen bonded, it is easily dissolved in water. Since a large amount of water is present at the cathode, even if impurities have passed through the impurity removal means of the cathode, they are eventually dissolved in the water in the battery. Further, since the catalyst used for the cathode is Pt, aldehyde or the like may be adsorbed on the Pt surface depending on the potential. Thus, the impurities in the cathode off gas are extremely reduced.

また、改質触媒として用いられるRu触媒は、酸化されやすいが、カソードオフガスのように、酸素濃度の少ない空気を用いた場合酸化はより起こりにくくなり、空気パージによる酸化劣化を抑制できる。   The Ru catalyst used as the reforming catalyst is easily oxidized, but oxidation is less likely to occur when air with a low oxygen concentration is used, such as cathode offgas, and oxidative deterioration due to air purge can be suppressed.

なお、特に、水素生成装置のパージ用としてカソードオフガスを用いる場合、水を除去したほうが望ましい。これは、水素生成装置の触媒が水浸しになり、結果として活性が低下することを防ぐためである。   In particular, when a cathode off gas is used for purging a hydrogen generator, it is desirable to remove water. This is to prevent the catalyst of the hydrogen generator from being immersed in water and resulting in a decrease in activity.

さらに、シフト触媒に空気をおくる場合、燃料電池の反応熱によりカソードオフガスは暖かく(数十度)また、加湿されているため、わずかではあるが熱効率が上がり、反応平衡の点からもCOが少なくなる方向であり、望ましい。   Furthermore, when air is put into the shift catalyst, the cathode offgas is warm (several tens of degrees) due to the reaction heat of the fuel cell, and because it is humidified, the thermal efficiency is slightly increased, and CO is low from the viewpoint of reaction equilibrium. This direction is desirable.

以下、本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法を実施例に基づいてより具体的に説明する。   Hereinafter, the fuel cell power generation system and the operation method thereof according to the present invention will be described more specifically based on examples.

(実施例1)
Pt/C触媒に水と旭硝子製のパーフルオロスルホン酸イオノマーエタノール溶液(フレミオン:9wt%パーフルオロスルホン酸イオノマー)を加え、触媒インクを調製した。なお、フレミオンとカーボンブラックの重量比が1となるようにした。この触媒インクを、Pt0.3mg/cmとなるように、ドクターブレード法でカーボンペーパーに塗布し、60℃で乾燥させ、カソード側カーボンペーパーを作成した。一方、アノード側カーボンペーパーは、30wt%Pt−24wt%Ru/CによりPt0.3mg/cmとなるように同様の手法で作成した。このように作成した2枚のガス拡散電極層でナフィオン112膜(デュポン社製)をはさみ、130℃でホットプレスし膜/電極接合体(MEA)を作成した。空気、水素を用いて、酸素利用率40%、水素利用率70%、セル温度75℃、カソード露点65℃、アノード露点70℃で、0.2A/cmで運転させた。発電開始後、燃料電池のカソードに供給される空気に50ppbのSOを加えて発電を行い、カソードオフガス中のSO2を分析した。この結果、ガスクロマトグラフで分析限界値(20ppb)以下までSO2が減少していることが確認された。なお、100ppbのNOについても同様の実験を行ったが、1000時間でも電圧の低下は認められなかった。以上のように、カソードオフガス中では、SO、NOが効果的に除去されていた。
(Example 1)
To the Pt / C catalyst, water and a perfluorosulfonic acid ionomer ethanol solution (Flemion: 9 wt% perfluorosulfonic acid ionomer) manufactured by Asahi Glass were added to prepare a catalyst ink. The weight ratio between Flemion and carbon black was set to 1. This catalyst ink was applied to carbon paper by a doctor blade method so as to be Pt 0.3 mg / cm 2, and dried at 60 ° C. to prepare cathode side carbon paper. On the other hand, the anode side carbon paper was prepared by the same method so that Pt was 0.3 mg / cm 2 by 30 wt% Pt-24 wt% Ru / C. The Nafion 112 membrane (manufactured by DuPont) was sandwiched between the two gas diffusion electrode layers thus prepared, and hot-pressed at 130 ° C. to prepare a membrane / electrode assembly (MEA). Using air and hydrogen, the battery was operated at 0.2 A / cm 2 at an oxygen utilization rate of 40%, a hydrogen utilization rate of 70%, a cell temperature of 75 ° C., a cathode dew point of 65 ° C., and an anode dew point of 70 ° C. After the start of power generation, the air supplied to the cathode of the fuel cell to generate electricity by adding SO 2 of 50 ppb, were analyzed SO 2 in the cathode off-gas. As a result, it was confirmed by gas chromatograph that SO 2 decreased to an analysis limit value (20 ppb) or less. A similar experiment was conducted with 100 ppb of NO 2 , but no decrease in voltage was observed even after 1000 hours. As described above, SO 2 and NO 2 were effectively removed in the cathode off gas.

同様の調製法で、1kW級スタックを作成し、500ppmのSO2を含む空気をカソードに供給し、アノードにCOを50ppmを含む模擬オフガスを流し、カソードオフガスを、アノードエアーブリージング用空気に用いる構成とした。1000時間後でも、アノード触媒の被毒物質であるSO2混入による電圧の低下は、認められなかった。 In the same preparation method, a 1 kW class stack is created, air containing 500 ppm of SO 2 is supplied to the cathode, a simulated off gas containing 50 ppm of CO is flowed to the anode, and the cathode off gas is used as the air for anode air breathing. It was. Even after 1000 hours, no voltage drop was observed due to the SO 2 poisoning of the anode catalyst.

また、上記のSO2が除去された後のスタックのカソードオフガスを、アノードエアブリージング用空気、選択酸化用空気、システム停止時のパージ用空気、及びシフト触媒加熱用空気として用いた燃料電池システムを試作した。システムの起動停止繰り返し試験を200回行い、カソードオフガスを上記4つの用途で使用した。200回起動停止を繰り返した後、上記カソードオフガスが供給された水素リッチガス流通経路の各触媒(改質触媒、シフト触媒、選択酸化触媒、アノード触媒)を取り出し、マイクロリアクターで特性を調べたが、SO2による特性の低下は認められなかった。 Also, a fuel cell system in which the cathode off-gas of the stack after the SO 2 is removed is used as anode air breathing air, selective oxidation air, purge air when the system is stopped, and shift catalyst heating air. Prototype. The system was repeatedly started and stopped 200 times, and the cathode off gas was used for the above four applications. After starting and stopping 200 times, each catalyst (reforming catalyst, shift catalyst, selective oxidation catalyst, anode catalyst) of the hydrogen-rich gas distribution path to which the cathode off gas was supplied was taken out, and the characteristics were examined with a microreactor. No deterioration in characteristics due to SO 2 was observed.

以上のように、燃料電池のカソードに供給される空気中の不純物濃度は、カソードオフガス中において減少するため、このカソードオフガスを、燃料電池システム内の水素リッチガス流通経路への空気供給に用いることで、システム内の水素リッチガス流通経路中の各触媒の永久被毒が抑制され、より安定的な燃料電池の長期運転が可能となる。   As described above, since the concentration of impurities in the air supplied to the cathode of the fuel cell decreases in the cathode off gas, this cathode off gas can be used for supplying air to the hydrogen-rich gas distribution path in the fuel cell system. The permanent poisoning of each catalyst in the hydrogen-rich gas distribution path in the system is suppressed, and a more stable long-term operation of the fuel cell becomes possible.

本発明の燃料電池発電システムは、長期間安定な運転ができる燃料電池発電システムとして有用である。   The fuel cell power generation system of the present invention is useful as a fuel cell power generation system capable of stable operation for a long period of time.

本発明の実施の形態1における燃料電池発電システムの概略を示す図The figure which shows the outline of the fuel cell power generation system in Embodiment 1 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 改質反応部
2 シフト反応部
3 CO選択酸化反応部
4 固体高分子型燃料電池
5 不純物除去手段
6 パージ用空気供給部
7 バルブ
8 CO選択酸化用空気供給部
9 アノードエアーブリージング用空気供給部
10 カソード用空気供給部
11 全熱交換器
12 ポンプ
13 シフト触媒加熱用空気供給部
14 リザーバータンク
15 カソードオフガス
16 アノードオフガス
17 バーナー
18 水素生成装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reforming reaction part 2 Shift reaction part 3 CO selective oxidation reaction part 4 Solid polymer fuel cell 5 Impurity removal means 6 Purge air supply part 7 Valve 8 CO selective oxidation air supply part 9 Anode air breathing air supply part DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Cathode air supply part 11 Total heat exchanger 12 Pump 13 Air supply part for shift catalyst heating 14 Reservoir tank 15 Cathode off gas 16 Anode off gas 17 Burner 18 Hydrogen generator

Claims (3)

原料と水から一酸化炭素を含有する水素リッチガスを生成する改質部と、前記水素リッチガス中の一酸化炭素と水から水素と二酸化炭素を生成するシフト反応部と、前記シフト反応部にて除去されなかった前記水素リッチガス中の一酸化炭素を低減するための一酸化炭素除去部とを有する水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される前記水素リッチガスと、酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池運転停止時に前記水素生成装置に空気を供給する空気供給部とを備え、
前記空気供給部に前記燃料電池のカソードオフガスを供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
Removal at the reforming unit that generates a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide from the raw material and water, the shift reaction unit that generates hydrogen and carbon dioxide from the carbon monoxide and water in the hydrogen-rich gas, and the shift reaction unit A hydrogen generator having a carbon monoxide removal unit for reducing carbon monoxide in the hydrogen-rich gas that has not been formed;
A fuel cell that generates power using the hydrogen-rich gas supplied from the hydrogen generator and an oxidant gas containing oxygen;
An air supply unit for supplying air to the hydrogen generator when the fuel cell operation is stopped,
A fuel cell power generation system, wherein a cathode off gas of the fuel cell is supplied to the air supply unit.
原料と水から一酸化炭素を含有する水素リッチガスを生成する改質部と、前記水素リッチガス中の一酸化炭素と水から水素と二酸化炭素を生成するシフト反応部と、前記シフト反応部にて除去されなかった前記水素リッチガス中の一酸化炭素を低減するための一酸化炭素除去部とを有する水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される前記水素リッチガスと、酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料の流通方向を基準として、(1)前記改質部と前記シフト反応部との間、(2)前記シフト反応部と前記一酸化炭素除去部との間、及び(3)前記一酸化炭素除去部と前記燃料電池との間の少なくとも1箇所に空気を供給する空気供給部とを備え、
前記空気供給部に前記燃料電池のカソードオフガスを供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
Removal at the reforming unit that generates a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide from the raw material and water, the shift reaction unit that generates hydrogen and carbon dioxide from the carbon monoxide and water in the hydrogen-rich gas, and the shift reaction unit A hydrogen generator having a carbon monoxide removal unit for reducing carbon monoxide in the hydrogen-rich gas that has not been formed;
A fuel cell that generates power using the hydrogen-rich gas supplied from the hydrogen generator and an oxidant gas containing oxygen;
On the basis of the flow direction of the fuel, (1) between the reforming section and the shift reaction section, (2) between the shift reaction section and the carbon monoxide removal section, and (3) the monoxide. An air supply unit that supplies air to at least one location between the carbon removal unit and the fuel cell;
A fuel cell power generation system, wherein a cathode off gas of the fuel cell is supplied to the air supply unit.
カソードオフガス中の水分を除去する水分除去部を備えることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to claim 1, further comprising a moisture removing unit that removes moisture in the cathode offgas.
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