JP2005310765A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、供給された改質用燃料および水蒸気から改質ガスを生成し、該改質ガスおよび空気を燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates a reformed gas from supplied reforming fuel and steam and supplies the reformed gas and air to a fuel cell to generate electric power.
特許文献1には、図1に示されるように、燃焼部11で生成された燃焼ガスによってメタノールと水とを蒸発器13で加熱して蒸発させ、蒸発したメタノールと水蒸気を改質触媒が充填された改質部3により所謂水素リッチな改質ガスに水蒸気改質し、この改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応部5、選択酸化反応部7(以下、CO選択酸化部7という。)により低減し、CO選択酸化部7から改質ガス、圧縮機から空気を燃料電池9に供給して発電し、燃料電池9から導出される余剰改質ガス(以下、アノードオフガスという。)を燃焼部11に送って燃焼させる燃料電池システムにおいて、CO選択酸化部7の改質ガス送出口と燃料電池9との間に第1流量制御バルブ17を設けるとともに、CO選択酸化部7の改質ガス送出口と燃焼部11の入口との間を第2流量制御バルブ19が接続されたバイパス回路15によりバイパスした燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、通常運転時は、第1流量制御バルブ17を開き、第2流量制御バルブ19を閉じて、CO選択酸化部7から出てくる改質ガスをすべて燃料電池9に送る。しかし、加速時等の負荷が増加する時は、第2流量制御バルブ19を開いて、燃料電池9への改質ガスの供給量を減少させ、燃料電池からの電力の取出し(発電量)を一時制限し、その分の改質ガスを燃焼部11にバイパスすることにより、燃焼部11での発熱量を増加してメタノールと水との蒸発量を増加し、改質装置1の応答性を向上している。
In Patent Document 1, as shown in FIG. 1, methanol and water are heated and evaporated by an
しかし、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、燃料電池9のアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口と燃焼部11との間にバルブが設けられていないので、運転終了後に燃焼部11からの空気が燃料電池9のアノード電極に侵入し、アノード電極を酸化させる可能性がある。このため、図7に示すように、CO選択酸化部7の改質ガス送出口と燃料電池9との間に第1バルブ21を設けるとともに、CO選択酸化部7の送出口と燃焼部11の流入口との間を第2バルブ22が接続されたバイパス回路24によりバイパスし、燃料電池9のアノードオフガス導出口と燃焼部11との間にバイパス回路24の接続点より上流側で第3バルブ23を設けることが行われている。係る従来装置では、起動運転時に第1および第3バルブ21,23を閉じて第2バルブ22を開くことにより、起動時の一酸化炭素の濃度が高い改質ガスを燃料電池9をバイパスさせて燃焼部11に送り燃焼させている。これにより、起動運転時に改質ガスに含まれる一酸化炭素が燃料電池9のアノード電極を被毒することを防止している。通常運転時には、第1および第3バルブ21,23を開き、第2バルブ22を閉じることにより、改質ガスを燃料電池9に導入している。停止時には、第1乃至第3バルブ21〜23を閉じることにより燃焼部11から燃料電池9、改質装置3に空気が侵入することを遮断し、アノード電極、改質触媒の酸化劣化による耐久性・性能の低下を防止している。
図7に示す燃料電池システムでは、停止時には燃料電池9のアノード電極に改質ガスを導入する改質ガス導入口およびアノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口が第1および第3バルブ21,23により閉鎖されているので、燃料電池9内の圧力が封入されたガスの冷却により減少している。この状態で第1および第3バルブ21,23を閉じ第2バルブ22を開いて起動運転が開始される。即ち、燃焼用燃料ガスが燃焼部11のバーナで燃焼され、生成された燃焼ガスが改質部3内の触媒を加熱し、蒸発器13で水蒸気を生成する。続いて改質用燃料ガスと水蒸気が混合して改質部3に供給され、触媒により水蒸気改質反応、一酸化炭素シフト反応して改質ガスが生成される。改質部3から導出された改質ガスはCOシフト部5、CO選択酸化部7により一酸化炭素ガスを低減される。CO選択酸化部7から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値より高い起動運転時は、CO選択酸化部7から送出される改質ガスはバイパス回路24を通って燃焼部11で燃焼される。そして、システムが安定状態となりCO選択酸化部7から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値以下に減少したことが、CO選択酸化部7の触媒温度が所定値以上となったことにより検出されると、第1および第3バルブ21,23を開き、第2バルブを閉じて通常運転に移行する。ところが、燃料電池9内の圧力は封入されたガスが停止中に冷却して低下しており、起動運転中のCO選択酸化部7の送出口の圧力より低くなっているので、第1バルブ21を急に開くとCO選択酸化部7から多量の改質ガスが燃料電池9に吸込まれ、システムの安定状態が壊されてCO選択酸化部7から送出される改質ガスの一酸化炭素ガスの濃度が増大するという問題が生じる。
In the fuel cell system shown in FIG. 7, the first and
さらに、図7に示す燃料電池システムで使用されている第1乃至第3バルブ21〜23は、弁体を圧縮スプリングのバネ力により弁座に押付けて弁孔を閉鎖してバルブを閉じ、ソレノイドの磁力で弁体をバネ力に抗して弁座から開離させてバルブを開くものであるので、出口側から入口側への閉止性が悪く、停止後にCO選択酸化部7および燃料電池9が冷却して内部圧が負圧になると、出口側に接続された燃焼部11からの空気が弁体をバネ力に抗して弁座から開離させて第2、第3バルブ22,23を通過し、燃料電池9、改質装置1に侵入してアノード電極、改質触媒を酸化させる虞があった。また、通常運転中に第1および第3バルブ21,23のソレノイドをバネ力に抗して付勢しなければならず消費電力が多くなる。
Further, the first to
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、改質装置から導出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度を増加することなく、燃料電池システムを起動運転から通常運転に切替えることである。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and the fuel cell system is normally operated from the start-up operation without increasing the concentration of carbon monoxide gas contained in the reformed gas derived from the reformer. It is to switch to driving.
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、燃焼部で生成される燃焼ガスにより加熱される触媒によって改質ガスを生成する改質装置を備え、燃料電池のアノード電極に改質ガスを導入する改質ガス導入口に前記改質装置の改質ガス送出口が接続され、前記アノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口に前記燃焼部が接続された燃料電池システムにおいて、第1乃至第3ポートが前記改質装置の改質ガス送出口、前記燃料電池の改質ガス導入口、前記燃焼部のバーナに夫々接続された導入側3方バルブを備え、起動運転時に第1ポートを第3ポートに連通して第2ポートを閉鎖し、起動運転から通常運転への切替えにおいて第1ポートと第2ポートとの間の連通面積を漸増し、第1ポートと第3ポートとの間の連通面積を漸減し、通常運転時に第1ポートを第2ポートに連通して第3ポートを閉鎖し、運転停止時に各ポート間の連通を全て遮断することである。 In order to solve the above-described problem, the structural feature of the invention according to claim 1 includes a reformer that generates a reformed gas using a catalyst heated by the combustion gas generated in the combustion section. The reformed gas inlet of the reformer is connected to the reformed gas inlet for introducing the reformed gas into the anode electrode, and the combustion section is connected to the anode offgas outlet for extracting the anode offgas from the anode electrode. In the fuel cell system, the first to third ports include a reformed gas delivery port of the reformer, a reformed gas inlet of the fuel cell, and an inlet side three-way valve connected to a burner of the combustion unit. The first port communicates with the third port during the start-up operation, the second port is closed, and the communication area between the first port and the second port is gradually increased in the switching from the start-up operation to the normal operation. Port and Gradually decreases the area of communication between the third port, the third port is closed communicating the first port to the second port during normal operation, it is to cut off all communication between the ports during shutdown.
請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、導出側3方バルブの第1乃至第3ポートが前記燃焼部のバーナ、前記アノードオフガス導出口、前記導入側3方バルブの第3ポートに夫々接続され、前記導出側3方バルブは、起動運転時に第1ポートを第3ポートに連通して第2ポートを閉鎖し、起動運転から通常運転への切替えにおいては第1ポートと第2ポートとの間の連通面積を漸増し、第1ポートと第3ポートとの間の連通面積を漸減し、通常運転においては第1ポートを第2ポートに連通して第3ポートを閉鎖し、運転停止時に各ポート間の連通を全て遮断することである。
The structural feature of the invention according to
請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、前記導入側3方バルブの第3ポートが暖機部を介して前記燃焼部のバーナに接続され、前記アノードオフガス導出口が運転停止時に閉鎖されるバルブを介して前記燃焼部のバーナに接続されたことである。
The structural feature of the invention according to
請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至3のいずれか1項において、前記導入側および導出側3方向バルブは、ボール状弁体をアクチュエータで回転させる構成の3方向ボールバルブであることである。 The structural feature of the invention according to claim 4 is the three-way ball according to any one of claims 1 to 3, wherein the introduction-side and lead-out-side three-way valves are configured to rotate a ball-shaped valve element by an actuator. It is a valve.
請求項5に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至4のいずれか1項において、前記導入側および導出側3方向バルブは、電源遮断時に各ポート間の連通を全て遮断する閉止位置に弁体を切替える緊急遮断装置を備えていることである。 A structural feature of the invention according to claim 5 is that, in any one of claims 1 to 4, the introduction side and outlet side three-way valves are closed positions that block all communication between the ports when the power is shut off. And an emergency shut-off device for switching the valve body.
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、起動運転から通常運転に切替えるとき、導入側3方バルブの作動により、改質装置の改質ガス送出口と燃料電池の改質ガス導入口との間の連通面積を漸増し、改質装置の改質ガス送出口と燃焼部のバーナとの間の連通面積を漸減した後に遮断するので、停止時に負圧になっている燃料電池に多量の改質ガスが急に吸込まれることがない。これにより、改質装置から多量の改質ガスが急に燃料電池に吸込まれ、改質装置の安定状態が壊されて改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が増大し、燃料電池のアノード電極を被毒することが防止できる。さらに、導入側3方バルブを介して改質装置からバーナに送られる改質ガスおよびアノードオフガス導出口からバーナに送られるアノードオフガスの流れが同時に止ることがなく、バーナ失火、または、燃焼の不安定によるエミッションの増加を抑制することができる。 In the invention according to claim 1 configured as described above, when the start-up operation is switched to the normal operation, the reformed gas delivery port of the reformer and the reformed gas introduction of the fuel cell are introduced by the operation of the introduction side three-way valve. The communication area between the inlet and the outlet is gradually increased, and the communication area between the reformer gas outlet of the reformer and the burner in the combustion section is gradually reduced and shut off. A large amount of reformed gas is not suddenly sucked. As a result, a large amount of the reformed gas is suddenly sucked into the fuel cell from the reformer, the stable state of the reformer is broken, and the concentration of carbon monoxide gas contained in the reformed gas increases. It is possible to prevent the anode electrode from being poisoned. Furthermore, the flow of the reformed gas sent from the reformer to the burner via the introduction side three-way valve and the anode off-gas sent from the anode off-gas outlet to the burner do not stop at the same time, and burner misfire or non-combustion is prevented. Increase in emission due to stability can be suppressed.
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、起動運転から通常運転に切替えるとき、導入側3方バルブの作動により、改質装置の改質ガス送出口と燃料電池の改質ガス導入口との間の連通面積を漸増し、改質装置の改質ガス送出口と導出側3方バルブとの間の連通面積を漸減し、導出側3方バルブの作動により、アノードオフガス導出口と燃焼部のバーナとの間の連通面積を漸増し、導入側3方バルブと燃焼部のバーナとの間の連通面積を漸減した後に遮断するので、停止時に負圧になっている燃料電池に多量の改質ガスが急に吸込まれることがない。これにより、改質装置から多量の改質ガスが急に燃料電池に吸込まれ、改質装置の安定状態が壊されて改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が増大し、燃料電池のアノード電極を被毒することが防止できる。そして、導入側および導出側3方バルブを介して改質装置から燃焼部のバーナに送られる改質ガスが、アノードオフガス導出口から導出側3方バルブを介してバーナに送られるアノードオフガスに徐々に切替わるので、バーナ失火、または、燃焼の不安定によるエミッションの増加を抑制することができる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項3に係る発明においては、起動運転時に改質ガスが改質装置から暖機部を介して燃焼部のバーナに送られるので、使用するバルブの個数が少ない簡素な構成により、請求項1に係る発明が奏する効果に加え、温度上昇が必要な部分を起動運転中に容易に昇温させることができる。また、アノードオフガス導出口は運転停止時にバルブにより閉鎖されるので、停止中に空気が燃料電池内に侵入することを防止できる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項4に係る発明においては、導入側および導出側3方向バルブを構成が簡単な3方向ボールバルブで構成したので、バルブに異物の噛み込みが少なく、燃料電池システムを各運転状態に円滑かつ確実に切替えることができる。また、3方ボールバルブはボール状弁体をアクチュエータで回転させる構成であるので、出口側から入口側への閉止性がよく、停止後に改質装置および燃料電池が冷却して内部圧が負圧になっても、出口側に接続された燃焼部から空気が燃料電池、改質装置に侵入することがなく、アノード電極、改質触媒の酸化を確実に防止することができる。 In the invention according to claim 4 configured as described above, the introduction-side and outlet-side three-way valves are configured by simple three-way ball valves, and therefore, the fuel cell system is less likely to have foreign matter caught in the valves. It is possible to smoothly and reliably switch to each operation state. The three-way ball valve has a configuration in which the ball-shaped valve body is rotated by an actuator, so that the closing performance from the outlet side to the inlet side is good, and the reformer and the fuel cell are cooled after the stop so that the internal pressure is negative. Even in this case, air does not enter the fuel cell and the reformer from the combustion section connected to the outlet side, and the anode electrode and the reforming catalyst can be reliably prevented from being oxidized.
さらに、3方向ボールバルブは、通常運転時においてボール弁体を所定の回転位相位置に低い消費電力で維持することができ、発電効率を向上することができる。 Furthermore, the three-way ball valve can maintain the ball valve body at a predetermined rotational phase position with low power consumption during normal operation, and can improve power generation efficiency.
上記のように構成した請求項5に係る発明においては、導入側および導出側3方バルブは、停電などの電源遮断時に緊急遮断装置が各ポート間の連通を全て遮断するので、燃料電池のアノード電極および改質装置の触媒が浸入する空気に触れて酸化することを防止できる。 In the invention according to claim 5 configured as described above, the introduction-side and outlet-side three-way valves prevent all communication between the ports from being interrupted by the emergency shut-off device when the power is shut off such as a power failure. It is possible to prevent the electrodes and the catalyst of the reformer from being in contact with the invading air and being oxidized.
以下、本発明に係る燃料電池システムの第1の実施形態について説明する。燃料電池システム10は、図1に示すように、燃料電池11、および燃料電池11に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置12を備えている。燃料電池11のアノード電極には、改質装置12から改質ガスが供給され、燃料電池11のカソード電極には、外部からの空気がエアポンプにより供給され、燃料電池11において改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。
Hereinafter, a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the
改質装置12は、天然ガス、LPGなどの炭化水素系の改質用燃料ガスおよび水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質部13、水ポンプから供給された純水を蒸発させて改質部13に供給する水蒸気を生成する蒸発器15、燃焼用燃料ガスと燃焼空気を混合して燃焼させ、改質部13および蒸発器15を加熱するための燃焼ガスを生成する燃焼部14、改質部13の下部に積層された熱交換部16、熱交換部16の下部に積層され改質部13で生成され熱交換部16で冷却された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という。)17、COシフト部17に接続されCOシフト部17から送出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去して送出口から燃料電池11に供給する一酸化炭素選択酸化部(以下、CO選択酸化部という。)18から構成されている。CO選択酸化部18の送出口が改質装置12の改質ガス送出口46となる。燃料電池11の改質ガス導入口47からアノード電極に導入された改質ガスは、カソード電極に導入された空気中の酸素ガスと反応して発電し水になるが、余剰の改質ガスであるアノードオフガスは燃料電池11のアノードオフガス導出口から燃焼部14に送られて燃焼される。
The
改質部13の触媒が充填された反応室19は、燃焼部14の加熱室20により上部および外周を包囲され、加熱室20内に設けられたバーナ21は、ガスポンプにより送られた燃焼用燃料ガスとエアポンプにより送られた燃焼空気を混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは加熱室20を流れる間に反応室19の触媒を加熱し、その後に蒸発器15に流入して純水を蒸発させる。ガスポンプ22により圧送された改質用燃料ガス、および蒸発器15で生成された水蒸気が混合されて熱交換部16に導入され、熱交換部16で予加熱されて反応室19に供給され、燃焼ガスによって加熱された触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応して改質ガスを生成する。
The
改質装置12と燃料電池11との間に接続された導入側3方バルブ24の共通ポート33Cは第1ポートして改質装置12の改質ガス送出口46に、ポート34Aは第2ポートとして燃料電池11の改質ガス導入口47に、ポート34Bは第3ポートとしてバイパス路26に夫々接続されている。バイパス路26は改質装置12から送出される改質ガスを燃料電池11をバイパスして燃焼部14に送るためのものである。導出側3方バルブ25の共通ポート33Cは第1ポートとして燃焼部14に、ポート34Aは第2ポートとして燃料電池11のアノードオフガス導出口に、ポート34Bは第3ポートとしてバイパス路26に夫々接続されている。
The
導入側および導出側3方バルブ24,25は、図2,3に示すように、ハウジング27にボール弁体28が回動可能に嵌合され、ボール弁体28に突設された弁軸29が減速機構30を介してモータ31に連結されている。ハウジング27には、ボール弁体28が嵌合する弁室32と、一端が弁室32の底面に開口し他端がハウジング27の下面に開口する共通ポート33Cと、各一端が弁室32の側面に互いに直交する方向から開口し各他端がハウジング27の側面に開口するポート34A,34Bが形成されている。ボール弁体28には、ボール弁体28の下面に開口し共通ポート33Cと常時連通する弁穴35と、弁穴35と連通しボール弁体28の側面に開口してポート34A,34Bと連通、遮断する弁穴36が穿設されている。弁軸29とハウジング27との間には捩りコイルバネ37が介在され、ボール弁体28はモータ31の無勢状態では捩りコイルバネ37のバネ力により弁穴36がポート34A,34Bと連通しない図4(イ)に示す閉止位置に付勢されている。3方バルブ24,25が電源遮断時に各ポート間の連通を全て遮断する閉止位置に切替えられる緊急遮断装置は、捩りコイルバネ37等により構成されている。ボール弁体28が減速機構30を介して捩りコイルバネ37のバネ力に抗してモータ31により回動されると、図4(ロ)〜(ニ)に示すように、共通ポート33Cが弁穴35,36を介して、ポート34Bと連通するC−B位置、ポート34A,34Bと連通するC−AB位置、ポート34Aと連通するC−A位置に順次割出される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the inlet side and outlet side three-
導入側および導出側3方バルブ24,25が、ボール弁体28の回動に応じてC−B位置からC−AB位置を経由してC−A位置に切替わるとき、C−B位置近傍では共通ポート33Cとポート34Aとの間の連通面積は全閉状態から漸増し、共通ポート33Cとポート34Bとの間の連通面積は全開状態から漸減し、C−AB位置において両連通面積が等しくなり、C−A位置では夫々全開、全閉状態となる。これにより、導入側および導出側3方バルブ24,25がC−B位置からC−A位置に切替わるときのガスの流量特性は、図5に示すように、ボール弁体28の回動に応じてポート34Aを流れるガスの流量QAが、C−B位置近傍で漸増し、C−AB位置近傍で急増し、C−A位置近傍で漸増し、ポート34Bを流れるガスの流量QBがC−B位置近傍で漸減し、C−AB位置近傍で急減し、C−A位置近傍で漸減する。C−AB位置ではポート34A,33Bを流れるガスの流量がほぼ等しくなる。
When the inlet side and outlet side three-
次に、上記実施の形態の作動について説明する。運転停止時には、導入側および導出側3方バルブ24,25は捩りコイルバネ37のバネ力により閉止位置に停止され、燃料電池11のアノード電極に改質ガスを導入するする改質ガス導入口47およびアノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口48が閉鎖され、燃料電池11および改質装置12内の圧力が封鎖されたガスの冷却により低下している。この状態で導入側および導出側3方バルブ24,25の各ボール弁体28がモータ31により捩りコイルバネ37のバネ力に抗して回動されC−B位置に停止され、改質装置12の改質ガス送出口46が導入側3方バルブ24の共通ポート33C、ポート34B、バイパス路26、導出側3方バルブ25のポート34Bおよび共通ポート33Cを介して燃焼部14にバイパスされ、起動運転が開始される。
Next, the operation of the above embodiment will be described. When the operation is stopped, the introduction side and outlet side three-
改質装置12において、燃焼用燃料ガスおよび燃焼空気が燃焼部14のバーナに供給されて燃焼され、生成された燃焼ガスが加熱室20を流れて反応室19内の触媒を加熱するとともに、蒸発器15で水蒸気を生成する。改質用燃料ガスと蒸発器15で生成された水蒸気が混合して反応室19に供給され、触媒により水蒸気改質反応、一酸化炭素シフト反応して改質ガスが生成される。改質部13から導出された改質ガスはCOシフト部17、CO選択酸化部18により一酸化炭素ガスを低減される。CO選択酸化部18から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値より高い起動運転時は、CO選択酸化部18から送出される改質ガスはバイパス路26を通って燃焼部14で燃焼される。
In the
CO選択酸化部18の触媒温度が所定値以上となったことが検出され、システム10が安定状態となりCO選択酸化部18から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値以下に減少すると、起動運転から通常運転に切替えるために、導入側および導出側3方バルブ24,25の各ボール弁体28がC−B位置からモータ31により回動され、C−AB位置を経由してC−A位置に割出される。これにより、C−B位置近傍では、導入側および導出側3方弁24,25の共通ポート33Cとポート34Aとの間の連通面積が全閉状態から漸増し、改質装置12の改質ガス送出口46と燃料電池11の改質ガス導入口47との間の連通面積およびアノードオフガス導出口48と燃焼部14との間の連通面積が漸増するので、改質装置12から多量の改質ガスが急激に燃料電池11に吸込まれ、改質装置12の安定状態が壊されて改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が増大することがない。共通ポート33Cとポート34Bとの間の連通面積は全開状態から漸減し、バイパス路26を経由した改質装置12と燃焼部14との間の連通面積が漸減する。C−AB位置近傍では、導入側および導出側3方弁24,25の共通ポート33Cとポート34Aとの間の連通面積が急増し、ポート34Bとの間の連通面積が急減し、C−A位置近傍では、ポート34Aとの連通面積が漸増し、ポート34Bとの連通面積が漸減し、C−A位置でポート34Bは閉止する。これにより、導入側および導出側3方バルブ24,25の各ボール弁体28がC−B位置からC−A位置に回動される間において、導入側および導出側3方バルブ24,25のポート34Bを流れるガスの流量とポート34Aを流れるガスの流量との合計は、図5に示すように略一定となり、急激な変化が起きないので、起動運転から通常運転に切替えるときに改質装置12の安定状態を良好に維持することができる。
It is detected that the catalyst temperature of the CO
また、従来のように起動運転から通常運転への切替え時にCO選択酸化部と燃料電池との間のバルブを急激に開くと、一時的にアノードオフガスの流れが止り、バーナ失火等の問題が生ずる可能性があるが、上記実施形態では、起動運転から通常運転への切替え時に改質装置12と燃料電池11の改質ガス導入口47との間の連通面積およびオフガス導出口と燃焼部14との間の連通面積を漸増し、バイパス路26を経由した改質装置12と燃焼部14との間の連通面積を漸減した後に遮断するので、改質装置12からバイパス路26を介してバーナ21に送られる改質ガスおよび燃料電池11のアノードオフガス導出口48からバーナ21に送られるアノードオフガスの流れが同時に止ることがなく、バーナ失火、または、燃焼の不安定によるエミッションの増加を抑制することができる。
In addition, when the valve between the CO selective oxidation unit and the fuel cell is suddenly opened at the time of switching from start-up operation to normal operation as in the prior art, the anode off-gas flow temporarily stops, causing problems such as burner misfire. Although there is a possibility, in the above-described embodiment, the communication area between the
上記実施形態では、導出側3方バルブ25の共通ポート33Cを第1ポートとして燃焼部14に、ポート34Aを第2ポートとして燃料電池11のオフガス導出口に、ポート34Bを第3ポートとしてバイパス路26に夫々接続しているが、ポート34Bを第1ポートとして燃焼部14に、ポート34Aを第2ポートとして燃料電池11のアノードオフガス導出口48に、共通ポート33Cを第3ポートとしてバイパス路26に夫々接続してもよい。この場合、導出側3方バルブ25は、通常運転時にC−AB位置に維持される。
In the above-described embodiment, the
次に、第2の実施形態に係る燃料電池システム40について、第1の実施形態と構成が異なる部分を図6に基づいて説明し、同一構成部分については、同一参照番号を付して説明を省略する。
Next, with respect to the
改質装置12と燃料電池11との間には、導入側3方バルブ41が改質ガス用凝縮器42を介して接続されている。導入側3方バルブ41の共通ポート33Cは第1ポートとして改質装置12の改質ガス送出口46に凝縮器42を介して接続され、ポート34Aは第2ポートとして燃料電池11の改質ガス導入口47に接続され、ポート34Bは改質装置12の暖機部43を通って燃焼部14のバーナ21に接続されている。
An introduction side three-
暖機部43は、CO選択酸化部18から導出され燃料電池11を通らないで供給される改質ガスおよび酸化剤ガスである空気を導入して内蔵の燃焼触媒(例えば、パラジウム系の触媒、白金系の触媒、白金−パラジウム系の触媒)によって燃焼させ、その燃焼ガスを熱交換器に供給している。熱交換器では、起動運転時にCOシフト部17に導入される改質ガスを燃焼ガスとの間で熱交換して温度上昇させる。
The warm-up
燃料電池11のアノードオフガス導出口48はバルブ44およびアノードオフガス用凝縮器45を介して燃焼部14のバーナ21に接続されている。バルブ44は、弁体を圧縮スプリングのバネ力により弁座に押付けて弁孔を閉鎖してバルブを閉じ、ソレノイドの磁力で弁体をバネ力に抗して弁座から開離させてバルブを開くものである。なお、バルブ44は、燃料電池11のアノードオフガス導出口48側からバーナ21側へのアノードオフガスの流れを許容し、バーナ21側から燃料電池側11への流れを阻止する逆止弁としてもよい。
The
改質ガス用凝縮器42は燃料電池11の改質ガス導入口47に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器45は、燃料電池11のアノードオフガス導出口48と燃焼部14のバーナ21とを連通する配管の途中に設けられており、その配管中を流れるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、凝縮器42,45には、図示しない低温液体またはラジエータによって冷却された液体が供給されるようになっており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。
The reformed gas condenser 42 condenses water vapor in the reformed gas supplied to the reformed
第2の実施形態では、運転停止時に導入側3方バルブ41が捩りコイルバネ37のバネ力によって閉止位置に停止されることにより、燃料電池11の改質ガス導入口47、改質装置12の改質ガス送出口46および暖機部43が閉鎖され、バルブ44が圧縮スプリングのバネ力により弁体が付勢されて閉止されることにより、燃料電池11のアノードオフガス導出口48が閉鎖されている。このとき、燃料電池11および改質装置12内の圧力は、封鎖されたガスの冷却により低下している。この状態で導入側3方バルブ41のボール弁体28がモータ31により捩りコイルバネ37のバネ力に抗して回動されC−B位置に停止され、改質装置12の改質ガス送出口46が導入側3方バルブ41の共通ポート33C、ポート34B、暖機部43を介して燃焼部14にバイパスされ、起動運転が開始される。起動運転時に改質装置12の改質ガス送出口46から送出される改質ガスは、一酸化炭素ガスの濃度が所定値より高いので、暖機部43を通って燃焼部14のバーナ21に送られ、燃焼用燃料ガスとともに燃焼空気で燃焼される。改質ガスは燃焼部14に送られる前に暖機部43で触媒燃焼して発熱し、COシフト部17に導入される改質ガスの温度を上昇させ、改質ガスがCOシフト部17において安定状態で一酸化炭素シフト反応するまでの立ち上げ時間を短縮する。
In the second embodiment, when the operation is stopped, the introduction side three-
CO選択酸化部18の触媒温度が所定値以上となったことが検出され、システム40が安定状態となりCO選択酸化部18から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値以下に減少すると、起動運転から通常運転に切替えるために、バルブ44が開放されて燃料電池11のアノードオフガス導出口48が燃焼部11に連通されるとともに、導入側3方バルブ41のボール弁体28がC−B位置からモータ31により回動され、C−AB位置を経由してC−A位置に割出される。C−B位置近傍では、導入側3方弁41の共通ポート33Cとポート34Aとの間の連通面積が全閉状態から漸増し、改質装置12の改質ガス送出口46と燃料電池11の改質ガス導入口47との間の連通面積が漸増し、共通ポート33Cとポート34Bとの間の連通面積は全開状態から漸減し、改質装置12と暖機部43、燃焼部14との間の連通面積が漸減する。
It is detected that the catalyst temperature of the CO
これにより、改質装置12から多量の改質ガスが急激に燃料電池11に吸込まれ、改質装置12の安定状態が壊されて改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が増大し、燃料電池のアノード電極を被毒することがない。さらに、導入側3方バルブ41のポート34Bを通って改質装置12からバーナ21に送られる改質ガスおよび燃料電池11のアノードオフガス導出口からバルブ44を通ってバーナ21に送られるアノードオフガスの流れが同時に止ることがなく、バーナ失火、または、燃焼の不安定によるエミッションの増加を抑制することができる。
As a result, a large amount of reformed gas is rapidly sucked into the
上記第2の実施形態では、導入側3方バルブ41のポート34Bを改質装置12の暖機部43を介して燃焼部14に接続しているが、導入側3方バルブ41と燃焼部14との間に介在される暖機部は、起動運転時に燃料電池11等の冷却装置の冷媒を昇温させる暖機部としてもよい。
In the second embodiment, the
上記実施形態では、3方バルブを弁体が球状の3方ボールバルブとしたが、弁体をスプールで形成した直動タイプの3方バルブとしてもよい。 In the above embodiment, the three-way valve is a three-way ball valve having a spherical valve body, but may be a direct-acting three-way valve in which the valve body is formed of a spool.
上記実施形態において改質装置は、供給された改質用燃料ガスと水蒸気とを改質して改質ガスを生成するものであるが、改質用燃料であるメタノールを改質して改質ガスを生成する改質装置を用いてもよい。 In the above embodiment, the reformer reforms the supplied reforming fuel gas and steam to generate reformed gas, but reforms the reforming methanol to reform. A reformer that generates gas may be used.
10,40…燃料電池システム、11…燃料電池、12…改質装置、13…改質部、14…燃焼部、15…蒸発器、16…熱交換部、17…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、18…一酸化炭素選択酸化部(CO選択酸化部)、19…反応室、20…加熱室、21…バーナ、22…ガスポンプ、24,41…導入側3方バルブ、25…導出側3方バルブ、26…バイパス路、27…ハウジング、28…ボール弁体、29…弁軸、30…減速機構、31…モータ、32…弁室、33C…共通ポート、34A,34B…ポート、35,36…弁穴、37…捩りコイルバネ、42,45…凝縮器、43…暖機部、44…バルブ、46…改質ガス送出口、47…改質ガス導入口、48…アノードオフガス導出口。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
第1乃至第3ポートが前記改質装置の改質ガス送出口、前記燃料電池の改質ガス導入口、前記燃焼部のバーナに夫々接続された導入側3方バルブを備え、起動運転時に第1ポートを第3ポートに連通して第2ポートを閉鎖し、起動運転から通常運転への切替えにおいて第1ポートと第2ポートとの間の連通面積を漸増し、第1ポートと第3ポートとの間の連通面積を漸減し、通常運転時に第1ポートを第2ポートに連通して第3ポートを閉鎖し、運転停止時に各ポート間の連通を全て遮断することを特徴とする燃料電池システム。 A reformer that generates reformed gas by a catalyst heated by the combustion gas generated in the combustion section is provided, and the reformer is modified at the reformed gas inlet for introducing the reformed gas into the anode electrode of the fuel cell. In the fuel cell system, wherein a gas outlet is connected, and the combustion section is connected to an anode offgas outlet for extracting anode offgas from the anode electrode,
The first to third ports include a reformed gas delivery port of the reformer, a reformed gas inlet of the fuel cell, and an inlet side three-way valve respectively connected to the burner of the combustion section. 1 port communicates with the 3rd port, the 2nd port is closed, and the communication area between the 1st port and the 2nd port is gradually increased in switching from the start operation to the normal operation, and the 1st port and the 3rd port The communication area is gradually reduced, the first port communicates with the second port during normal operation and the third port is closed, and all communication between the ports is shut off when the operation is stopped. system.
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