JP2005353347A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、供給された燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に導出する改質部を備えた燃料電池システムに関し、特に、早期起動性を有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a reforming unit that generates a reformed gas containing hydrogen by reforming a supplied fuel with a reforming catalyst filled therein, and leads the fuel to a fuel cell. The present invention relates to a fuel cell system having early startability.
燃料電池システムとしては、供給された燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して導出する改質部と、この改質部から導出された改質ガス中の一酸化炭素濃度を内部に充填されたシフト触媒によって低減して導出する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から導出された改質ガス中の一酸化炭素を内部に充填された選択酸化触媒による供給された酸化剤ガスとの酸化によってさらに低減して燃料電池に供給する一酸化炭素選択酸化部を備えたものが知られている。 The fuel cell system includes a reforming unit that generates and derives a reformed gas containing hydrogen by reforming the supplied fuel with a reforming catalyst filled therein, and the reforming unit derived from the reforming unit. A carbon monoxide shift reaction part derived by reducing the carbon monoxide concentration in the reformed gas with a shift catalyst filled inside, and the carbon monoxide in the reformed gas derived from the carbon monoxide shift reaction part There is known a device equipped with a carbon monoxide selective oxidation portion that is further reduced by oxidation with the supplied oxidant gas by a selective oxidation catalyst filled inside and supplied to the fuel cell.
このような燃料電池システムにおいては、一酸化炭素を所定濃度(10ppm程度)含有する改質ガスを得るために、各触媒をそれぞれの活性温度域まで昇温するようにしている。すべての触媒が活性温度域に到達するのにかかる時間が暖機時間であり、この時間をできるだけ短くして早期暖機性(早期起動)を向上させることが要請されている。 In such a fuel cell system, in order to obtain a reformed gas containing carbon monoxide at a predetermined concentration (about 10 ppm), the temperature of each catalyst is raised to the respective activation temperature range. The time required for all the catalysts to reach the active temperature range is the warm-up time, and it is required to shorten this time as much as possible to improve the early warm-up property (early start-up).
この問題を解決するものとして、特許文献1に記載の燃料電池用燃料ガス生成装置がある。この装置においては、液体原燃料を蒸気化して燃料蒸気を生成する蒸発器22と、蒸発器22により生成された燃料蒸気に改質空気を加えて部分酸化させた原燃料ガスから水素を含んだ改質ガスを生成するオートサーマル改質器11と、オートサーマル改質器11により生成された前記改質ガスにCO除去空気を加えることにより一酸化炭素が除去された燃料ガスを生成するCO除去器13と、を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置1において、燃料電池用燃料ガス生成装置の暖機時における前記改質空気の供給量を、暖機完了後のアイドル運転時における改質空気供給量よりも増大するように制御する。
As a solution to this problem, there is a fuel gas generator for a fuel cell described in Patent Document 1. In this apparatus, hydrogen is contained from an
また、特許文献2に記載の改質装置がある。この装置においては、起動時に一酸化炭素シフト反応部の入口にエアを導入し、自ら生成した改質ガス(水素)と燃焼させてこの燃焼ガスによって加熱している。 Further, there is a reformer described in Patent Document 2. In this apparatus, air is introduced into the inlet of the carbon monoxide shift reaction section at the time of start-up, burned with reformed gas (hydrogen) generated by itself, and heated by this combustion gas.
また、特許文献3に記載の燃料電池システム及び燃料電池コジェネレーション給湯システムにおいては、燃料電池システムは、炭化水素系の原燃料からH2とCOとを生成するための燃料改質器(6)と、燃料改質器(6)で生成したCOから水性ガスシフト反応によってH2とCO2とを生成するためのCO変成器(7)と、燃料改質器(6)及びCO変成器(7)おいて生成したH2を燃料として発電する燃料電池(1)と、起動時からの所定時間、CO変成器(7)において燃料改質器(6)で生成したH2の燃焼反応をさせるためにCO変成器(7)にO2を供給するO2供給手段とを備えるものとする。O2供給手段は、O2供給量を制御するO2供給量制御手段(第1開閉弁11)を備えており、Pt触媒の温度が温度センサにより検知され、それに応じてCO変成器7への空気の供給量が制御される。すなわち、触媒温度の上昇に伴って第1開閉弁11の開閉度を調節してCO変成器7に供給する空気量を減らし、H2の燃焼反応を抑制することによって触媒温度が500℃を越えることがないよう制御がなされている。
Further, in the fuel cell system and the fuel cell cogeneration hot water system described in Patent Document 3, the fuel cell system is a fuel reformer (6) for generating H 2 and CO from hydrocarbon-based raw fuel. A CO converter (7) for generating H 2 and CO 2 from the CO generated in the fuel reformer (6) by a water gas shift reaction, a fuel reformer (6), and a CO converter (7 The fuel cell (1) that generates electricity using the H 2 produced in step 2 ) as a fuel and a combustion reaction of the H 2 produced in the fuel reformer (6) in the CO converter (7) for a predetermined time from the start-up. shall CO transformer (7) and a O 2 supply means for supplying a O 2 for. O 2 supply means comprises an O 2 supply amount control means for controlling the O 2 supply amount (first on-off valve 11), the temperature of the Pt catalyst is detected by the temperature sensor, the
また、特許文献4に記載の燃料電池システムの制御装置がある。この装置においては、燃料と水とを原燃料とする原燃料蒸気から水素を含む改質ガスを生成する改質触媒(3)と、改質ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタック(1)と、燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼する燃焼触媒(9)とを備える燃料電池システムにおいて、前記燃焼触媒に流入する改質ガスの流量と改質ガスの成分の濃度を検出し、この検出結果に基づき、燃焼触媒の温度が許容温度となるように燃焼触媒に供給する空気量を流量調整弁12dおよびコンプレッサ2により制御する。これにより、異常高温による燃焼触媒の劣化を抑制する。
特許文献1〜3に記載の装置においては、一酸化炭素シフト反応部の触媒を短時間にて触媒の活性温度域まで上昇させることができるものの、高温(500度以上)の燃焼ガスが一酸化炭素シフト反応部内の触媒を直接加熱するので、ヒートスポットが発生しやすくなり、そこで触媒の劣化が急激に進行し同触媒の耐久性を著しく低下させるという問題があった。また、特許文献4に記載の装置においては、燃焼触媒への流量のみを調整しており、他の構成(起動用燃焼器10および予混合器11)への流量との関係において、関連付けて流量を制御していない。
In the devices described in Patent Documents 1 to 3, although the catalyst in the carbon monoxide shift reaction section can be raised to the activation temperature range of the catalyst in a short time, the high-temperature (500 ° C. or higher) combustion gas is oxidized. Since the catalyst in the carbon shift reaction part is directly heated, a heat spot is likely to be generated, and there is a problem that the deterioration of the catalyst rapidly proceeds and the durability of the catalyst is remarkably lowered. Moreover, in the apparatus described in Patent Document 4, only the flow rate to the combustion catalyst is adjusted, and the flow rate is related to the flow rate to the other components (starting
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、一酸化炭素シフト反応部内の触媒の耐久性を低下させることなく同触媒を短時間にて活性温度域まで加熱して、改質装置の起動時間を短縮し、また起動に必要な投入エネルギを低減し、運転時の平均発電効率を上昇させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the catalyst is heated to the active temperature range in a short time without reducing the durability of the catalyst in the carbon monoxide shift reaction section. The purpose is to shorten the start-up time of the quality device, reduce the input energy required for start-up, and increase the average power generation efficiency during operation.
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、供給された燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して導出する改質部と、この改質部から導出された改質ガス中の一酸化炭素濃度を内部に充填されたシフト触媒によって低減して導出する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から導出された改質ガス中の一酸化炭素を内部に充填された選択酸化触媒による供給された酸化剤ガスとの酸化によってさらに低減して燃料電池に供給する一酸化炭素選択酸化部を備えた燃料電池システムにおいて、一酸化炭素選択酸化部から導出される改質ガスおよび酸化剤ガスを導入して内蔵の燃焼触媒によって燃焼し、その燃焼ガスと一酸化炭素シフト反応部に供給されている改質ガスとの間で熱交換し、またはその燃焼熱によって一酸化炭素シフト反応部を直接加熱することにより、一酸化炭素シフト反応部を加熱する暖機手段と、暖機手段および一酸化炭素選択酸化部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、酸化剤ガス供給手段に設けられて、暖機手段と一酸化炭素選択酸化部への酸化剤ガスをその供給量を調整可能に分配する酸化剤ガス分配手段と、起動時に、酸化剤ガス分配手段を制御して暖機手段と一酸化炭素選択酸化部への酸化剤ガスの供給量比を、シフト触媒および選択酸化触媒の活性温度域を考慮して設定された所定比とする制御手段とを備えたことである。 In order to solve the above problems, the structural feature of the invention according to claim 1 is that a reformed gas containing hydrogen is generated by reforming the supplied fuel with a reforming catalyst filled therein. A reforming section to be derived, a carbon monoxide shift reaction section to be derived by reducing the concentration of carbon monoxide in the reformed gas derived from the reforming section with a shift catalyst filled therein, and the carbon monoxide The carbon monoxide selective oxidation unit that supplies the fuel cell with further reduction by oxidation with the oxidant gas supplied by the selective oxidation catalyst filled with carbon monoxide in the reformed gas derived from the shift reaction unit. In the fuel cell system equipped with the fuel cell system, the reformed gas and the oxidant gas derived from the carbon monoxide selective oxidation unit are introduced, burned by the built-in combustion catalyst, and supplied to the combustion gas and the carbon monoxide shift reaction unit. Heating means for heating the carbon monoxide shift reaction section by exchanging heat with the reformed gas, or directly heating the carbon monoxide shift reaction section by the heat of combustion, and the warming-up means and monoxide Provided in the oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the carbon selective oxidation part and the oxidant gas supply means, the supply amount of the oxidant gas to the warm-up means and the carbon monoxide selective oxidation part can be adjusted. And the oxidant gas distribution means for distributing the oxidant gas to the warming means and the carbon monoxide selective oxidation unit at the time of start-up, and the ratio of the amount of oxidant gas supplied to the carbon monoxide selective oxidation unit at the start-up. And a control means having a predetermined ratio set in consideration of the active temperature range.
また、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、暖機手段は複数の熱交換部からなり、各熱交換部にはそれぞれ酸化剤ガスが分配されて供給されていることである。 Further, the structural feature of the invention according to claim 2 is that, in claim 1, the warm-up means is composed of a plurality of heat exchange parts, and the oxidant gas is distributed and supplied to each heat exchange part. That is.
また、請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項2において、暖機手段の複数の熱交換部のうち何れかは、少なくとも一酸化炭素シフト反応部の改質ガス導入口または同改質ガス導入口と改質ガス導出口の中間位置の何れかに設けられていることである。 Further, the structural feature of the invention according to claim 3 is that, in claim 2, any one of the plurality of heat exchange parts of the warm-up means is at least the reformed gas inlet or the same of the carbon monoxide shift reaction part. That is, it is provided at any position between the reformed gas inlet and the reformed gas outlet.
また、請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項3の何れか一項において、改質水を改質部に供給する改質水供給手段をさらに備え、この改質水供給手段は、暖機手段が稼動中に通常運転中の供給量より多い量の改質水を供給することにより、一酸化炭素シフト反応部を昇温することである。 According to a fourth aspect of the present invention, the structural feature of the invention according to any one of the first to third aspects further includes a reforming water supply means for supplying the reforming water to the reforming section. The quality water supply means is to raise the temperature of the carbon monoxide shift reaction section by supplying a larger amount of reforming water than the supply amount during normal operation while the warm-up means is in operation.
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、燃料電池システムの起動時に、酸化剤ガス分配手段を制御して暖機手段と一酸化炭素選択酸化部への酸化剤ガスの供給量比が、シフト触媒および選択酸化触媒の活性温度域を考慮して設定された所定比となるように、暖機手段および一酸化炭素選択酸化部に酸化剤ガスがそれぞれ供給される。したがって、暖機手段によって一酸化炭素シフト反応部が速やかに暖機されるとともに一酸化炭素選択酸化部も暖機されるので、燃料電池システム全体として効率よくかつ早期に暖機することができる。また、起動に必要な投入エネルギを低減し、運転時の平均発電効率を上昇させる。 In the invention according to claim 1 configured as described above, the ratio of the amount of oxidant gas supplied to the warm-up unit and the carbon monoxide selective oxidation unit by controlling the oxidant gas distribution unit when the fuel cell system is started. However, the oxidant gas is supplied to the warm-up means and the carbon monoxide selective oxidation unit so that the predetermined ratio is set in consideration of the activation temperature range of the shift catalyst and the selective oxidation catalyst. Therefore, since the carbon monoxide shift reaction unit is quickly warmed up by the warming-up means and the carbon monoxide selective oxidation unit is also warmed up, the entire fuel cell system can be warmed up efficiently and quickly. Moreover, the input energy required for start-up is reduced, and the average power generation efficiency during operation is increased.
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1の燃料電池システムにおいて、暖機手段は複数の熱交換部からなり、各熱交換部にはそれぞれ酸化剤ガスが分配されて供給されていることにより、一酸化炭素シフト反応部を複数箇所から暖機するので、一酸化炭素シフト反応部の暖機時間をより短縮することができ、結果として燃料電池システムの暖機時間をより短縮することができる。 In the invention according to claim 2 configured as described above, in the fuel cell system according to claim 1, the warm-up means includes a plurality of heat exchanging portions, and an oxidant gas is distributed to each heat exchanging portion. Since the carbon monoxide shift reaction unit is warmed up from a plurality of locations by being supplied, the warm-up time of the carbon monoxide shift reaction unit can be further shortened, and as a result, the warm-up time of the fuel cell system can be reduced. It can be shortened more.
上記のように構成した請求項3に係る発明においては、請求項2の燃料電池システムにおいて、暖機手段の複数の熱交換部のうち何れかは、少なくとも一酸化炭素シフト反応部の改質ガス導入口または同改質ガス導入口と改質ガス導出口の中間位置の何れかに設けられていることにより、一酸化炭素シフト反応部を効率よく暖機することができる。 In the invention according to claim 3 configured as described above, in the fuel cell system according to claim 2, any one of the plurality of heat exchange parts of the warm-up means is at least a reformed gas of the carbon monoxide shift reaction part. The carbon monoxide shift reaction section can be efficiently warmed up by being provided at either the inlet or the intermediate position between the reformed gas inlet and the reformed gas outlet.
上記のように構成した請求項4に係る発明においては、請求項1乃至請求項3の何れか一項の燃料電池システムにおいて、改質水を改質部に供給する改質水供給手段をさらに備え、この改質水供給手段は、暖機手段が稼動中に通常運転中の供給量より多い量の改質水を供給することにより、一酸化炭素シフト反応部を昇温することにより、一酸化炭素シフト反応部の暖機時間をさらに短縮することができ、結果として燃料電池システムの暖機時間をさらに短縮することができる。 In the invention according to Claim 4 configured as described above, in the fuel cell system according to any one of Claims 1 to 3, the reforming water supply means for supplying the reforming water to the reforming unit is further provided. The reforming water supply means is provided by heating the carbon monoxide shift reaction unit by supplying a larger amount of reforming water than the supply amount during normal operation while the warm-up means is in operation. The warm-up time of the carbon oxide shift reaction part can be further shortened, and as a result, the warm-up time of the fuel cell system can be further shortened.
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図1に示すように、燃料電池10と燃料電池10に必要な水素ガスを生成する水蒸気改質方式の改質装置20を備えている。燃料電池10は、燃料極11と空気極12を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された空気(カソードエア)を用いて発電するものである。
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. As shown in FIG. 1, this fuel cell system includes a
改質装置20は、燃料を改質する改質部21と、改質部21から導出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)23と、COシフト部23から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去する一酸化炭素選択酸化部(以下、CO選択酸化部という)24から構成されている。燃料としては天然ガス、LPG、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
The
改質部21は、有底筒状に形成されて下方に開放するように配置され、かつ内部に触媒(改質触媒)21aが充填された反応室21bを備えている。改質部21には燃焼部22が設けられている。燃焼部22は、反応室21bに密接して設けられて反応室21bを加熱する加熱室22aと、加熱室22aに高温の燃焼ガスを供給するバーナ22bとから構成されている。
The reforming
反応室21bには燃料供給源Sf(例えば都市ガス管)に接続された燃料供給管41が接続されており、燃料供給源Sfから燃料が供給されている。燃料供給管41には、上流から順番に第1燃料バルブ42、燃料ポンプ43、脱硫器44、第2燃料バルブ45および熱交換部46が設けられている。第1および第2燃料バルブ42,45は制御装置30の指令によって燃料供給管41を開閉するものである。燃料ポンプ43は燃料供給源Sfから供給される燃料を吸い込み改質部21の反応室21bに吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃料供給量を調整するものである。脱硫器44は燃料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を除去するものである。熱交換部46は改質部21からCOシフト部23へ供給される高温の改質ガスとの間で熱交換が行われて予熱された燃料を改質部21の反応室21bに供給するものである。これにより、燃料は硫黄分が除去され予熱されて反応室21bに供給される。
A
また、燃料供給管41の第2燃料バルブ45と熱交換部46との間には蒸発器55に接続された水蒸気供給管52が接続され、蒸発器55から供給された水蒸気が燃料に混合されて改質部21の反応室21bに供給されている。蒸発器55には改質水供給源である水タンクSwに接続された給水管51が接続されている。給水管51には、上流から順番に水ポンプ53および水バルブ54が設けられている。水ポンプ53は水タンクSwから供給される改質水を吸い込み蒸発器55に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。水バルブ54は制御装置30の指令によって給水管51を開閉するものである。給水管51は加熱室22aの外周に巻きつけられており、給水管51内の流水が加熱室22aの高熱によって予熱される。蒸発器55には一端が加熱室22aに接続され他端が外部に開放されている排気管81が貫設されており、蒸発器55は供給される予熱された改質水を排気管81を流れる加熱室22aから外部へ排出される燃焼ガス(排気ガス)によって加熱して水蒸気にし、反応室21bに供給するものである。これにより、改質水は予熱されて蒸発器55に供給され、水蒸気となって反応室21bに供給される。なお、本第1の実施の形態においては、給水管51であって加熱室22aに巻きつけられた部分と蒸発器55とから蒸発部56が構成されている。なお、蒸発器55には内部温度を検出する温度センサ55aが設けられている。また、燃料供給管41と水蒸気供給管52の合流点には、燃料と水蒸気の混合ガスの温度を検出する温度センサ46aが設けられている。
Further, a steam supply pipe 52 connected to the
反応室21bは、後述するようにバーナ22bの燃焼ガスによって加熱されており、反応室21b内に供給された燃料と水蒸気は、下記化1に示すように、改質触媒21a(例えば、Ru、Ni系の触媒)により反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に反応室21b内では、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素が、下記化2に示すように、水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は熱交換部46を通って降温されてCOシフト部23に導出される。なお、反応室21b内には改質触媒21aの温度を検出する温度センサ21a1が設けられている。
The
(化1)
CH4+H2O→3H2+CO−Q1
(化2)
CO+H2O→H2+CO2+Q2
(Chemical formula 1)
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO-Q1
(Chemical formula 2)
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 + Q2
水蒸気改質反応は吸熱反応であり、上記化1から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Q1が吸熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Q1が発熱される。また、一酸化炭素シフト反応は発熱反応であり、上記化2から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Q2が発熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Q2が吸熱される。 The steam reforming reaction is an endothermic reaction, and as is clear from the above chemical formula 1, when the reaction proceeds to the right side, the amount of heat Q1 is absorbed, and conversely, when the reaction proceeds to the left side, the amount of heat Q1 is generated. Further, the carbon monoxide shift reaction is an exothermic reaction, and as is clear from the chemical formula 2, the calorific value Q2 is generated when the reaction proceeds to the right side, and conversely, the calorific value Q2 is absorbed when the reaction proceeds to the left side.
COシフト部23においては、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素が、上記化2に示すように、COシフト部23内に充填されたシフト触媒23a(例えば、Pt系の触媒)により水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、改質ガスは前述した一酸化炭素シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減されて導出される。また、COシフト部23内にはシフト触媒23aの温度を検出する温度センサ23a1が設けられている。また、COシフト部23は折り返し構造のものであり、下部中央から改質ガスを導入し、上部にて折り返し下部側面から導出するようになっている。
In the
COシフト部23は、図2に示すように、外筒23hと、外筒23hより軸方向が短く形成されて外筒23hと同軸に配置された内筒23bから構成されている。外筒23hおよび内筒23bの各下端縁には環状に形成された底板23cの外周縁および内周縁が一体的に取り付け固定されている。外筒23hの上端縁には円板状に形成された天板23dの外周縁が一体的に取り付け固定され、天板23dと内筒23bの上端との間には隙間が形成されている。外筒23hの外周下部には導出口23eが径方向外方に延ばして設けられている。これにより、導入口である底板23cの開口23fは内筒23b内部、および内筒23bと外筒23hとの間の空間を通じて導出口23eに連通している。なお、COシフト部23は金属材(例えばステンレス材)で一体的に形成されている。
As shown in FIG. 2, the
また、COシフト部23の導入口23fには、円板状に形成されて多数の孔を有する第1支持部材23gが取り付けられ、この第1支持部材23gにより内筒23bに充填された触媒23aが支持されている。また、外筒23hと内筒23bの間の下方にも底板23cから距離を置いて環状円板に形成されて多数の孔を有する第2支持部材23iが取り付けられ、この第2支持部材23iにより外筒23hと内筒23bとの間に充填された触媒23aが支持されている。さらに、COシフト部23の内筒23b内下部には触媒23aの温度を検出する温度センサ23a1が設けられている。
Further, a
また、燃料電池システムは暖機手段としての暖機ユニット86を備えている。暖機ユニット86は、COシフト部23から導出される改質ガス(より具体的にはCO選択酸化部24から排出される改質ガス)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やパラジウム・白金系の触媒)によって燃焼し、その燃焼ガスとCOシフト部23に供給されている改質ガスとの間で熱交換することにより、COシフト部23を加熱するものである。暖機ユニット86はCOシフト部23の下部および上部にそれぞれ設けられた第1および第2熱交換器87a,87bとから構成されている。第1熱交換器87aは、COシフト部23に導入される改質ガスを燃焼ガスとの間で熱交換するものであり、第2熱交換器87bは、COシフト部23の折り返し部を通過している改質ガスを燃焼ガスとの間で熱交換するものである。また、第1および第2熱交換器87a,87bは、通常運転時には高温である改質ガスをシフト反応温度まで降温させることも可能である。
Further, the fuel cell system includes a warm-up
第1熱交換器87aは中央部が断面四角状に形成され上部および下部が断面円形に形成された筐体87a1を備えており、筐体87a1の上端および下端はCOシフト部23の導入口23fおよび改質装置20の熱交換部46の導出口にそれぞれ気密に固定されている。互いに対向する筒体87a1の左右側壁87a2,87a3の外壁面には気密な左右側室87a4,87a5がそれぞれ設けられている。左右側室87a4,87a5は、ほぼ水平方向に延在させて左端および右端が左右側室87a4,87a5に気密に固定された複数の熱交換パイプ87a6によって連通している。熱交換パイプ87a6内には、燃焼触媒87a7が充填されている。右側室87a5には一端がCO選択酸化部24に接続されている燃焼用オフガス供給管88の他端が接続されており、燃焼器用空気供給管89から供給された空気と燃焼用オフガス供給管88から供給されたオフガスは合流点88aで混合され右側室87a5に供給される。左側室87a4には一端が第2熱交換器87bの左側室87b4に接続されている燃焼ガス供給管90の他端が接続されている。
The
第2熱交換器87bも、第1熱交換器87aと同様に構成されており、筐体87b1、左右側壁87b2,87b3、左右側室87b4,87b5、熱交換パイプ87b6、燃焼触媒87b7から構成されている。右側室87b5後段下流にはバーナ22bが接続され、左側室87b4には燃焼ガス供給管90を介して第1熱交換器87aが接続されている。また、燃焼ガス供給管90には燃焼器用空気供給管89から分岐された供給管89aが接続されており、酸化剤ガスである空気が第2熱交換器87bにも供給されるようになっている。
The
CO選択酸化部24から燃料電池10を通らず供給された改質ガス(改質オフガス)は、凝縮器77、第2改質ガスバルブ76および凝縮器78を介して右側室87a5を通って熱交換パイプ87a6に供給され、熱交換パイプ87a6において同時に供給されている酸化剤ガスによって燃焼触媒87a7にて燃焼され、その燃焼ガスは左側室87a4を通って第2熱交換器87bに供給される。一方、改質装置20の熱交換部46から供給された改質ガスは、筐体87a1の下方から流入して筐体87a1内を高温である熱交換パイプ87a6の間を通ってCOシフト部23の導入口23fから内筒23b内部に供給される。これにより、低温である改質ガスが燃焼ガスまたは燃焼触媒87a7との熱交換により昇温される。なお、熱交換パイプ87a6内部および熱交換パイプ87a6間には図示しないフィンが設けられており、熱交換の効率を向上させることができる。また、第1熱交換器87aはステンレス材で形成されており、耐久性を向上させることができる。
Reformed gas (reformed off gas) supplied from the CO selective oxidation unit 24 without passing through the
第1熱交換器87aの導入口には、凝縮器78の下流にてオフガス供給管72から分岐した燃焼用オフガス供給管88が接続されており、CO選択酸化部24からの改質ガス(改質オフガス)が供給されるようになっている。空気ポンプ63と第1空気バルブ64の間にて酸化用空気供給管61から分岐した燃焼器用空気供給管89が燃焼用オフガス供給管88に合流点88aにて合流されており、空気供給源Saからの酸化剤ガスである空気が第1熱交換器87aに供給されるようになっている。さらに、第1熱交換器87aの導出口には第2熱交換器87bを経由してバーナ22bの上流にてオフガス供給管72に合流する燃焼ガス供給管90が接続されており、燃焼ガス(未燃焼の改質ガスを含む)が第2熱交換器87bを通ってバーナ22bに供給されるようになっている。燃焼ガスバイパス管91は、第2熱交換器87bをバイパスして燃焼ガス供給管90およびオフガス供給管72を直結するものであり、第1熱交換器87aから排出される燃焼ガスが第2熱交換器87bを経由しないで直接バーナ22bに供給するようになっている。
A combustion off-
オフガス供給管72には、燃焼用オフガス供給管88との分岐点と、燃焼ガス供給管90および燃焼ガスバイパス管91との合流点との間に第2オフガスバルブ92が設けられている。燃焼用オフガス供給管88には、オフガス供給管72との分岐点と燃焼器86との間に第3オフガスバルブ93が設けられている。第2および第3オフガスバルブ92,93はそれぞれの管を開閉するものであり、CO選択酸化部24からの改質ガスまたは燃料電池10からのアノードオフガスをバーナ22bまたは暖機ユニット86に供給するように、制御装置30により開閉制御されている。
The off
燃焼ガス供給管90には、第1熱交換器87aと第2熱交換器87bとの間に第1燃焼ガスバルブ94が設けられ、燃焼ガスバイパス管91には第2燃焼ガスバルブ95が設けられている。第1および第2燃焼ガスバルブ94,95はそれぞれの管を開閉するものであり、第1熱交換器87aのみによってCOシフト部23を暖機する場合には、制御装置30によって第1燃焼ガスバルブ94を閉じ第2燃焼ガスバルブ95を開き、第1および第2熱交換器87a,87bによってCOシフト部23を暖機する場合には、第1燃焼ガスバルブ94を開き第2燃焼ガスバルブ95を閉じる。
The combustion
燃焼器用空気供給管89には、酸化用空気供給管61の分岐点と供給管89aの分岐点との間に第2空気バルブ97が設けられている。第2空気バルブ97は、第1空気バルブ64と同様に、制御装置30の指令によって燃焼器用空気供給管89を開閉するものであり、また開状態のとき流量を調整するものである。これにより、所定量の空気(酸化剤ガスである)が暖機ユニット86に供給される。また、燃焼器用空気供給管89には、供給管89aの分岐点と分岐点88aとの間に第3空気バルブ98が設けられている。第3空気バルブ98は、第1空気バルブ64と同様に、制御装置30の指令によって燃焼器用空気供給管89を開閉するものであり、また開状態のとき流量を調整するものである。さらに、供給管89aには第4空気バルブ99が設けられている。第4空気バルブ99は、第1空気バルブ64と同様に、制御装置30の指令によって供給管89aを開閉するものであり、また開状態のとき流量を調整するものである。第3空気バルブ98を開いて空気を第1熱交換器87aに供給し、第4空気バルブ99を開いて空気を第2熱交換器87bに供給する。このとき、第3および第4バルブ98,99の開度を調整し供給量比を調整することができる。なお通常起動においては、第3空気バルブ98を開き第4空気バルブ99を閉じて空気を第1熱交換器87aの上流からのみ供給している。
The combustor
COシフト部23から導出された一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、CO選択酸化部24に供給される。一方、CO選択酸化部24には、空気供給源Saに接続された酸化用空気供給管61が接続されており、空気供給源Sa(例えば大気)から酸化剤ガスである空気が供給されている。酸化用空気供給管61には、上流から順番にフィルタ62、空気ポンプ63および第1空気バルブ64が設けられている。フィルタ62は空気を濾過するものである。空気ポンプ63は空気供給源Saから供給される空気を吸い込みCO選択酸化部24に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて空気供給量を調整するものである。第1空気バルブ64は制御装置30の指令によって酸化用空気供給管61を開閉するものであり、また開状態のとき流量を調整するものである。これにより、所定量の空気がCO選択酸化部24に供給される。
The reformed gas having a reduced carbon monoxide concentration derived from the
CO選択酸化部24に供給された改質ガスに残留している一酸化炭素は、下記化3に示すように、CO選択酸化部24に充填された触媒24a(例えば、Ru系またはPt系の触媒)により上述のように供給された空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出されて、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。なお、改質ガス中の水素も酸化されて水となる。
The carbon monoxide remaining in the reformed gas supplied to the CO selective oxidation unit 24 is converted into the
(化3)
CO+1/2O2→CO2+Q3
この反応は発熱反応であり、上記化3から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Q3が発熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Q3が吸熱される。
(Chemical formula 3)
CO + 1 / 2O 2 → CO 2 + Q3
This reaction is an exothermic reaction, and as is clear from the chemical formula 3 above, the amount of heat Q3 is generated when the reaction proceeds to the right side, and conversely, the amount of heat Q3 is absorbed when the reaction proceeds to the left side.
燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO選択酸化部24が接続されており、燃料極11に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介してバーナ22bが接続されており、燃料電池10から排出されるアノードオフガス(燃料極11にて未使用な水素を含んだ改質ガス)をバーナ22bに供給するようになっている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間に第1オフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73には第2改質ガスバルブ76が設けられている。第1および第2改質ガスバルブ74,76および第1オフガスバルブ75はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置30により制御されている。
A CO selective oxidation unit 24 is connected to the inlet of the
また、燃料電池10の空気極12の導入口には、空気ポンプ63の上流にて酸化用空気供給管61から分岐したカソード用空気供給管67の先端が接続されており、空気極12内に酸化剤ガスである空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ポンプ68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。カソード用空気ポンプ68は空気供給源Saから供給される空気を吸い込み燃料電池の空気極12に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69は制御装置30の指令によってカソード用空気供給管67を開閉するものである。さらに、燃料電池10の空気極12の導出口には、他端が外部に開放されている排気管82の一端が接続されている。
The leading end of a cathode
また、バーナ22bには、燃料ポンプ43の上流にて燃料供給管41から分岐した燃焼用燃料供給管47が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管47には燃焼用燃料ポンプ48が設けられており、燃焼用燃料ポンプ48は燃料供給源Sfから供給される燃料を吸い込みバーナ22bに吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。さらにバーナ22bには空気ポンプ63の上流にて酸化用空気供給管61から分岐した燃焼用空気供給管65が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはオフガスを燃焼させるための燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管65には燃焼用空気ポンプ66が設けられており、燃焼用空気ポンプ66は空気供給源Saから供給される空気を吸い込みバーナ22bに吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼用空気供給量を調整するものである。バーナ22bが制御装置30の指令によって着火されると、バーナ22bに供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが加熱室22aに供給されて反応室21bが加熱されることにより改質触媒21aが加熱される。加熱室22aを通過した燃焼ガスは排気管81および蒸発器55を通って排気ガスとして外部に排気される。
Further, a combustion
また、改質ガス供給管71、オフガス供給管72および排気管82の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器77、アノードオフガス用凝縮器78およびカソードオフガス用凝縮器79が設けられている。改質ガス用凝縮器77は改質ガス供給管71中を流れる燃料電池10の燃料極11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78はオフガス供給管72中を流れる燃料電池10の燃料極11から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器79は排出管82中を流れる燃料電池10の空気極12から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、各凝縮器77〜79には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給される冷媒管が貫設されており、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。
Further, a reformed
これら凝縮器77,78,79は配管84を介して純水器85に連通しており、各凝縮器77,78,79にて凝縮された凝縮水は、純水器85に導出され回収されるようになっている。純水器85は、各凝縮器77,78,79から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンクSwに導出するものである。なお、純水器85には水道水供給源(例えば水道管)から供給される補給水(水道水)を導入する配管が接続されており、純水器85内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。
These
また、燃料電池システムは制御手段である制御装置30を備えており、この制御装置30には、上述した各温度センサ21a1,23a1,55a、各ポンプ43,48,53,63,66,68、各バルブ42,45,54,64,69,74,75,76,92〜95,97、およびバーナ22bが接続されている(図2参照)。制御装置30はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、図4,5のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムの起動時に、第1および第2空気バルブ64,97を制御して暖機ユニット86とCO選択酸化部24への酸化剤ガスの供給量比を、シフト触媒23aおよび選択酸化触媒24aの活性温度域を考慮して設定された所定比とするように制御している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。
In addition, the fuel cell system includes a
なお、上述した酸化用空気供給管61、燃焼器用空気供給管89および空気ポンプ63が、暖機ユニット86とCO選択酸化部24へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段であり、上述した第1および第2空気バルブ64,97が、酸化剤ガス供給手段に設けられて、暖機ユニット86とCO選択酸化部24への酸化剤ガスをその供給量を調整可能に分配する酸化剤ガス分配手段である。
The oxidation
また、上述した酸化剤ガス供給手段は、供給源としての空気ポンプ63を一つだけ設け、空気ポンプ63からの空気を酸化用空気供給管61および燃焼器用空気供給管89を介してCO選択酸化部24および暖機ユニット86に供給するようにして、その供給量比を第1および第2空気バルブ64,97で調整して制御するようにしているが、酸化用空気供給管61および燃焼器用空気供給管89にそれぞれ供給源としてのポンプ(ブロア)を設け、ポンプの各吐出量をそれぞれ調整して供給量比を制御するようにしてもよい。
Further, the oxidant gas supply means described above is provided with only one
次に、上述した燃料電池システムの起動について図4〜図6を参照して説明する。制御装置30は、時刻t0にて図示しない起動スイッチがオンされると、図4に示すプログラムを実行して図6に示すように燃料電池システムを制御する。制御装置30は、ステップ102にて、第1改質ガスバルブ74、第1オフガスバルブ75、第3オフガスバルブ93、第2燃焼ガスバルブ95および第3燃焼ガスバルブ96を閉じ、第2改質ガスバルブ76および第2オフガスバルブ92を開いてCO選択酸化部24をバーナ22bに接続し、第1燃料バルブ42を開き第2燃料バルブ45を閉じて燃焼用燃料ポンプ48および燃焼用空気ポンプ66を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気をバーナ22bに供給してバーナ22bを着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部21内の改質触媒21aおよび蒸発器55が加熱される。
Next, activation of the above-described fuel cell system will be described with reference to FIGS. When a start switch (not shown) is turned on at time t0,
制御装置30は、温度センサ55aにより蒸発器55の温度を検出し、この検出した温度が第1の所定温度Th1以上となれば(時刻t1)、水バルブ54を開き、水ポンプ53を駆動させ水タンクSwの水を改質部21に供給する(ステップ104,106)。
The
制御装置30は、蒸発器55の温度が所定温度Th1以上となった時点(時刻t1)からタイマのカウントを開始する。タイマが第1所定時間T1(例えば1分)以上となれば(時刻t2)、第2燃料バルブ45を開いて燃料ポンプ43を駆動させ燃料供給源Sfの燃料を所定流量(所定供給量:通常運転流量であり、例えばS/Cが3となる流量)だけ改質部21に供給するとともに、第1空気バルブ64を開いて空気ポンプ63を駆動させ空気供給源Saの空気を所定流量(所定供給量:通常運転流量)だけCO選択酸化部24に供給する(ステップ108,110)。これにより、改質部21では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部21から導出された改質ガスはCOシフト部23およびCO選択酸化部24により一酸化炭素ガスを低減されてCO選択酸化部24から導出され、燃焼部22のバーナ22bに供給され燃焼される。
The
このとき、制御装置30は、図5に示すフローチャートに沿ってプログラムを並行して実行する。すなわち、制御装置30は、ステップ106にて水バルブ54を開いて改質水の供給を開始した上で、温度センサ46aに検出された燃料と水蒸気の混合ガスの温度が第3の所定温度Th3(例えば110℃)以上となるまでの間だけ通常運転中の供給量より多い量の改質水を供給している。(ステップ202〜206)。
At this time, the
例えば、改質水の第2再生運転流量が通常運転流量の燃料に対してS/C(スチーム・カーボン比)=15となるように供給されている。このように所定温度まで加熱された改質部21内に改質水のみ多量に投入されると、多量の水蒸気が発生し、この水蒸気が熱媒体として機能するため、改質触媒21aの熱伝導性が向上し燃焼部22から供給される熱および局所的に熱せられた改質装置の熱容器から熱媒体に受熱された熱が触媒内を伝播しやすくなる。したがって、改質部21が定常運転温度範囲より昇温される。これにより、短時間に高温化された改質ガスがCOシフト部23に供給されることになる。さらに、前述した改質部21に生じている改質水の多量投与による高温化は、COシフト部23においても発生しているので、COシフト部23が定常運転温度範囲より昇温される。
For example, the reforming water is supplied so that the second regeneration operation flow rate is S / C (steam / carbon ratio) = 15 with respect to the fuel of the normal operation flow rate. Thus, when only a large amount of reformed water is introduced into the reforming
制御装置30は、時刻t2にて、第2オフガスバルブ92を閉じ第3オフガスバルブ93、および第1燃焼ガスバルブ94を開いてCO選択酸化部24を第1熱交換器87aに接続し、CO選択酸化部24からの改質ガスを第1熱交換器87aに供給するとともに、第2空気バルブ97を開いて空気供給源Saの空気を第1熱交換器87aに供給する(ステップ110)。これにより、第1熱交換器87aにおいて改質ガスが燃焼され、その燃焼ガスは第2熱交換器87bに供給され、第2熱交換器87bにおいて改質ガスが燃焼され、その燃焼ガスはバーナ22bに供給され、未燃焼で残っている可燃性ガスがバーナ22bにて燃焼される。また、制御装置30は、ステップ112において、第1および第2空気バルブ64,97を制御して暖機ユニット86とCO選択酸化部24への酸化剤ガスの供給量比または供給量を調整している。
At time t2, the
第1熱交換器87aにおいては起動時でまだ低温であるCOシフト部23に導入される改質ガスが燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、COシフト部23においては、昇温された改質ガスが導入されシフト触媒23aが触媒再生温度(後述する)まで昇温される。また、第2熱交換器87bにおいても起動時でまだ低温であるCOシフト部23を通過中の改質ガスが燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、COシフト部23においては、昇温された改質ガスが折り返し部以降のシフト触媒23aが触媒再生温度(後述する)まで昇温される。
In the
COシフト部23の温度制御は、暖機ユニット86への空気の投入量(供給量)を調整することによって行っている。その投入量は、燃料の供給量を1としたときに、投入開始時(燃料電池システム暖機開始時)に1.1とし、投入終了時(燃料電池システム暖機完了時)に0とする。投入開始から終了までの間においては、その供給量は可変であり、その範囲は0.2〜1.1である。いずれにしても、供給量は、シフト触媒の耐熱温度(例えばCu系では350℃以下)、活性温度域(例えばCu系では150〜350℃)を考慮して設定されており、実際には、COシフト部23すなわちシフト触媒23aの温度が活性温度域150℃〜350℃となるように設定されている。
The temperature control of the
一方、CO選択酸化部24の温度制御は、CO選択酸化部24への空気の投入量を調整することによって行っている。その投入量は、燃料の供給量を1としたときに、投入開始時(燃料電池システム暖機開始時)に0.3とし、投入終了時(燃料電池システム暖機完了時)に0.3とする。投入開始から終了までの間においては、その供給量は可変であり、その範囲は0.3〜1である。いずれにしても、供給量は、CO選択酸化部24の選択触媒24aの活性温度域(110〜200℃)を考慮して設定されており、実際には、CO選択酸化部24の入口温度が110℃〜200℃となるように設定されている。
On the other hand, the temperature control of the CO selective oxidation unit 24 is performed by adjusting the amount of air introduced into the CO selective oxidation unit 24. The input amount is 0.3 at the start of injection (when the fuel cell system warms up) when the fuel supply amount is 1, and 0.3 at the end of input (when the fuel cell system is warmed up). And From the start to the end of charging, the supply amount is variable, and the range is 0.3-1. In any case, the supply amount is set in consideration of the activation temperature range (110 to 200 ° C.) of the
このように改質ガスの生成中において、制御装置30は、温度センサ23a1によりCOシフト部23の触媒23aの温度を検出し、この検出した温度が第2の所定温度Th2以上となれば(時刻t3)、第2空気バルブ97を閉じて暖機ユニット86への空気の供給を停止する(ステップ114,116)。これにより、第1および第2熱交換器87a,87bに供給される燃焼ガスの熱量が減少し、すなわち燃焼ガスによって改質ガスが昇温されなくなる。
Thus, during the generation of the reformed gas, the
制御装置30は、時刻t3からタイマのカウントを開始し、タイマが第2所定時間T2(例えば3分)以上となれば(時刻t4)、第1改質ガスバルブ74および第1オフガスバルブ75ならびに第2オフガスバルブ92を開き、第3オフガスバルブ93、第1および第2燃焼ガスバルブ94,95および第2改質ガスバルブ76を閉じて、CO選択酸化部24を燃料電池10の燃料極11の導入口に接続するとともに燃料極11の導出口をバーナ22bに接続する(ステップ118,120)。
The
そして、制御装置30は、ステップ122において、定常運転(燃料電池10を発電させる運転モード)を開始する。このとき、燃料ポンプ43、水ポンプ53および空気ポンプ63の駆動を継続させて燃料、水(水蒸気)および空気を改質装置20に供給する。具体的には、改質水の供給流量は時刻t1からほぼ一定であり、燃料の供給流量は時刻t2からほぼ一定であるので、改質部21にはそれぞれ供給開始時と同一量(通常運転中の供給量)の改質水および燃料が所定の比率(例えばS/C(スチーム・カーボン比)=3)にて供給され続けている。また、CO選択酸化部24への酸化用空気の供給流量は基本的には時刻t2からほぼ一定であるが、CO選択酸化部24の導入口の温度を110℃〜200℃の間に制御するようにその供給流量を調整している。また、燃焼用燃料ポンプ48および燃焼用空気ポンプ66を駆動させ燃焼用燃料および燃焼用空気をアノードオフガスの供給量を考慮した所定流量(所定供給量:定常運転流量)となるようにバーナ22bに供給する。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止する。
In
上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、燃料電池システムの起動時に、第1および第2空気バルブ64,97を制御して暖機ユニット86と一酸化炭素選択酸化部24への酸化剤ガスの供給量比が、シフト触媒23aおよび選択酸化触媒24aの活性温度域を考慮して設定された所定比となるように、暖機ユニット86および一酸化炭素選択酸化部24に酸化剤ガスがそれぞれ供給される。したがって、暖機ユニット86によって一酸化炭素シフト反応部23が速やかに暖機されるとともに一酸化炭素選択酸化部24も暖機されるので、燃料電池システム全体として効率よくかつ早期に暖機することができる。また、起動に必要な投入エネルギを低減し、運転時の平均発電効率を上昇させる。
As can be understood from the above description, in this embodiment, when the fuel cell system is started, the first and
また、暖機ユニット86は複数の熱交換部(熱交換器)からなり、各熱交換部にはそれぞれ酸化剤ガスが分配されて供給されていることにより、一酸化炭素シフト反応部23を複数箇所から暖機するので、一酸化炭素シフト反応部23の暖機時間をより短縮することができ、結果として燃料電池システムの暖機時間をより短縮することができる。
Further, the warm-up
また、暖機ユニット86の複数の熱交換部のうち何れかは、少なくとも一酸化炭素シフト反応部23の改質ガス導入口23fまたは同改質ガス導入口23fと改質ガス導出口23eの中間位置(例えば折り返し部)の何れかに設けられていることにより、一酸化炭素シフト反応部23を効率よく暖機することができる。
Further, any one of the plurality of heat exchange units of the warm-up
また、改質水を改質部21に供給する改質水供給手段をさらに備え、この改質水供給手段は、暖機ユニット86が稼動中に通常運転中の供給量より多い量の改質水を供給することにより、一酸化炭素シフト反応部23を昇温することにより、一酸化炭素シフト反応部23の暖機時間をさらに短縮することができ、結果として燃料電池システムの暖機時間をさらに短縮することができる。さらに、改質水の供給量を増やす効果として下記のものが挙げられる。
1)流速を上昇させ、時間当たりの熱交換量を上昇させることにより、起動時間を短縮することができる。
2)触媒の温度上昇を抑制することにより、耐久性を向上させることができる。
3)一酸化炭素シフト反応部23の入口部分の温度上昇集中を緩和し、一酸化炭素シフト反応部23中段・後段も温度上昇しやすくすることにより、起動性および耐久性を向上させることができる。
4)上記2)および3)により時間当たりの投入熱量も上昇させることにより、起動性を向上させることができる。
Further, it is further provided with a reforming water supply means for supplying the reforming water to the reforming
1) The start-up time can be shortened by increasing the flow rate and increasing the amount of heat exchange per hour.
2) The durability can be improved by suppressing the temperature rise of the catalyst.
3) Startability and durability can be improved by mitigating the temperature rise concentration at the inlet portion of the carbon monoxide
4) The startability can be improved by increasing the amount of heat input per time according to 2) and 3) above.
なお、上述した実施の形態においては、本発明を、水蒸気改質方式の改質装置20を備えた燃料電池システムに適用したが、オートサーマル方式の改質装置を備えた燃料電池システムに適用可能である。
In the above-described embodiment, the present invention is applied to the fuel cell system including the
また、上述した実施の形態においては、暖機ユニット86は、一酸化炭素選択酸化部24から導出される改質ガスおよび酸化剤ガスを導入して内蔵の燃焼触媒によって燃焼し、その燃焼熱によって一酸化炭素シフト反応部23を直接加熱することにより、一酸化炭素シフト反応部23を加熱するようにしてもよい。また暖機ユニットの触媒を他に別に設けたユニットに移動させ、そのユニットにて燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスを第1および第2熱交換器87a,87bに供給するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the warm-up
また、上述した実施の形態においては、酸化剤ガス供給手段に設けられて、暖機ユニット86とCO選択酸化部24への酸化剤ガスをその供給量を調整可能に分配する酸化剤ガス分配手段を流量調整可能である第1および第2空気バルブ64,97で構成するようにしたが、酸化用空気供給管61と燃焼器用空気供給管89の分岐点に設けた開閉度が制御可能な3ポート弁で構成するようにしてもよい。なお、第2空気バルブ97を設けないようにしてもよい。この場合、第3および第4バルブ98,99によって第2空気バルブ97の機能を代用するようにすればよい。
In the above-described embodiment, the oxidant gas distribution unit is provided in the oxidant gas supply unit and distributes the oxidant gas to the warm-up
また、上述した実施の形態においては、第1および第2熱交換器87a,87bへの酸化剤ガスをその供給量を調整可能に分配する流量調整手段として第3および第4空気バルブ98,99で構成するようにしたが、燃焼器用空気供給管89と供給管89aの分岐点に設けた開閉度が制御可能な3ポート弁で構成するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the third and
10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、20…改質装置、21…改質部、21a…改質触媒、21a1…温度センサ、21b…反応室、22…燃焼部、22b…バーナ、23…COシフト部、23a…触媒、24…CO選択酸化部、24a…触媒、24a1…温度センサ、30…制御装置、41…燃料供給管、42…第1燃料バルブ、43…燃料ポンプ、44…脱硫器、45…第2燃料バルブ、46…熱交換部、46a…温度センサ、47…燃焼用燃料供給管、48…燃焼用燃料ポンプ、51…給水管、52…水蒸気供給管、53…水ポンプ、54…水バルブ、55…蒸発器、55a…温度センサ、61…酸化用空気供給管、62…フィルタ、63…空気ポンプ、64…第1空気バルブ、65…燃焼用空気供給管、66…燃焼用空気ポンプ、67…カソード用空気供給管、68…カソード用空気ポンプ、69…カソード用空気バルブ、71…改質ガス供給管、72…オフガス供給管、73…バイパス管、74…第1改質ガスバルブ、75…第1オフガスバルブ、76…第2改質ガスバルブ、77,78,79…凝縮器、81,82…排気管、84…回収水導出管、86…暖機ユニット、87a,87b…第1および第2熱交換器、88…燃焼用オフガス供給管、89…燃焼器用空気供給管、90…燃焼ガス供給管、91…燃焼ガスバイパス管、92…第2オフガスバルブ、93…第3オフガスバルブ、94,95…第1および第2燃焼ガスバルブ、97…第2空気バルブ、Sa…空気供給源、Sf…燃料供給源、Sw…改質水供給源。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記一酸化炭素選択酸化部から導出される改質ガスおよび酸化剤ガスを導入して内蔵の燃焼触媒によって燃焼し、その燃焼ガスと前記一酸化炭素シフト反応部に供給されている改質ガスとの間で熱交換し、またはその燃焼熱によって前記一酸化炭素シフト反応部を直接加熱することにより、前記一酸化炭素シフト反応部を加熱する暖機手段と、
前記暖機手段および前記一酸化炭素選択酸化部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給手段に設けられて、前記暖機手段と一酸化炭素選択酸化部への酸化剤ガスをその供給量を調整可能に分配する酸化剤ガス分配手段と、
起動時に、前記酸化剤ガス分配手段を制御して前記暖機手段と一酸化炭素選択酸化部への酸化剤ガスの供給量比を、前記シフト触媒および選択酸化触媒の活性温度域を考慮して設定された所定比とする制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A reforming unit that generates and derives a reformed gas containing hydrogen by reforming the supplied fuel with a reforming catalyst filled therein, and one of the reformed gases derived from the reforming unit A carbon monoxide shift reaction part that is derived by reducing the carbon oxide concentration by a shift catalyst filled inside, and carbon monoxide in the reformed gas derived from the carbon monoxide shift reaction part is filled inside. In a fuel cell system including a carbon monoxide selective oxidation unit that is further reduced by oxidation with a supplied oxidant gas by a selective oxidation catalyst and is supplied to a fuel cell.
The reformed gas and the oxidant gas derived from the carbon monoxide selective oxidation unit are introduced and burned by a built-in combustion catalyst, and the combustion gas and the reformed gas supplied to the carbon monoxide shift reaction unit A warming-up means for heating the carbon monoxide shift reaction unit by directly exchanging heat between them or by directly heating the carbon monoxide shift reaction unit by the heat of combustion thereof,
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the warm-up means and the carbon monoxide selective oxidation unit;
An oxidant gas distribution means provided in the oxidant gas supply means, for distributing the oxidant gas to the warm-up means and the carbon monoxide selective oxidation unit so that the supply amount thereof can be adjusted;
At the time of start-up, the oxidant gas distribution means is controlled to consider the ratio of the amount of oxidant gas supplied to the warm-up means and the carbon monoxide selective oxidation unit, taking into account the active temperature range of the shift catalyst and the selective oxidation catalyst. A fuel cell system comprising control means for setting a predetermined ratio.
The reforming water supply means according to any one of claims 1 to 3, further comprising reforming water supply means for supplying reforming water to the reforming section, wherein the reforming water supply means is operated while the warm-up means is in operation. A fuel cell system characterized in that the carbon monoxide shift reaction section is heated by supplying a larger amount of reforming water than the supply amount during normal operation.
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