JP2006282458A - Hydrogen generating device and fuel cell system - Google Patents

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JP2006282458A JP2005105083A JP2005105083A JP2006282458A JP 2006282458 A JP2006282458 A JP 2006282458A JP 2005105083 A JP2005105083 A JP 2005105083A JP 2005105083 A JP2005105083 A JP 2005105083A JP 2006282458 A JP2006282458 A JP 2006282458A
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Yasuhiro Izawa
康浩 伊澤
Satoru Iguchi
哲 井口
Keisuke Nagasaka
圭介 永坂
Hiroyuki Mitsui
宏之 三井
Hiroshi Aoki
博史 青木
Takashi Shimazu
孝 志満津
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen generating device that suppresses decrease in emission and to provide a fuel cell system using the device. <P>SOLUTION: The hydrogen generating device 110 is equipped a catalyst and a controlling means functioning in such a manner that: when gasoline and a cathode-off gas are supplied, a hydrogen-containing gas is generated by the reforming reaction on the heated catalyst; when an anode-off gas and combustion air are supplied, the catalyst is heated by the heat generating reaction; a fluid to be supplied to each reactor and a fluid to be discharged from the reforming reactor are switched so as to alternately perform the above reforming reaction and the heat generating reaction; and upon switching the reforming reaction to the heat generating reaction in each reactor, at least a part of the residual gasoline and the cathode-off gas in the reactor is first discharged through a port where the hydrogen-containing gas is discharged during the reforming reaction, and then the reforming reaction is switched to the heat generating reaction in the reactor. The fuel cell system 100 is equipped with the above hydrogen generating device 110. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、触媒を用いた燃料改質反応と触媒を加熱再生する再生反応とを切替えて行なう水素生成装置及びこれを備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a hydrogen generator that performs a fuel reforming reaction using a catalyst and a regeneration reaction for heating and regenerating the catalyst, and a fuel cell system including the same.

従来の電気自動車は、車両駆動用の電源として燃料電池を搭載すると共に、燃料電池を発電運転させるための燃料である水素又は水素生成用の原燃料を搭載している。   A conventional electric vehicle is equipped with a fuel cell as a power source for driving the vehicle, and with hydrogen or a raw fuel for generating hydrogen, which is a fuel for causing the fuel cell to perform a power generation operation.

水素自体を搭載する場合、水素ガスを圧縮して高圧ボンベに若しくは液化してタンクに充填し、又は水素吸蔵合金や水素吸着材料を用いて搭載する。しかし、高圧充填による場合は、容器壁厚が厚く大きいわりに内容積に制限があり水素充填量が少ない。また、液体水素とする液化充填による場合には、気化ロスが避けられないほか液化に多大なエネルギーを要する。更に、水素吸蔵合金や水素吸着材料では電気自動車等に必要とされる水素貯蔵密度が不充分であり、水素の吸蔵/吸着等の制御も困難である。   When the hydrogen itself is mounted, the hydrogen gas is compressed and packed in a high-pressure cylinder or liquefied and filled into a tank, or mounted using a hydrogen storage alloy or a hydrogen adsorbing material. However, in the case of high pressure filling, although the container wall thickness is thick and large, the internal volume is limited and the hydrogen filling amount is small. Further, in the case of liquefaction filling with liquid hydrogen, vaporization loss is unavoidable and a great deal of energy is required for liquefaction. Further, hydrogen storage alloys and hydrogen adsorbing materials have insufficient hydrogen storage density required for electric vehicles and the like, and it is difficult to control hydrogen storage / adsorption.

また、原燃料を搭載する場合、燃料を水蒸気改質して水素を得る方法などがある。しかし、改質反応は吸熱的であるために別途熱源が必要であるため、熱源に電気ヒータ等を用いたシステムでは全体のエネルギー効率の向上は図れない。更に、あらゆる環境条件下で安定的に水素量を確保できる点も不可避である。   In addition, when the raw fuel is mounted, there is a method of obtaining hydrogen by steam reforming the fuel. However, since the reforming reaction is endothermic, a separate heat source is required. Therefore, a system using an electric heater or the like as the heat source cannot improve the overall energy efficiency. Furthermore, it is inevitable that the amount of hydrogen can be stably secured under all environmental conditions.

水素の供給方法については、未だ技術的に確立されていないのが実状であるが、将来的に各種装置における水素利用の増加が予測されることを踏まえると、水素の供給方法の確立が急務とされている。   The actual hydrogen supply method has not yet been established technically, but it is an urgent need to establish a hydrogen supply method in light of the anticipated increase in hydrogen utilization in various devices in the future. Has been.

上記に関連する技術として、触媒を用いて、吸熱反応である燃料の改質反応と、改質反応で低下した触媒温度を再生する発熱反応(再生反応)と、を切替えて繰り返し行なう改質装置を有する燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   As a technology related to the above, a reformer that uses a catalyst to repeatedly switch a fuel reforming reaction that is an endothermic reaction and an exothermic reaction (regeneration reaction) that regenerates the catalyst temperature decreased by the reforming reaction. Has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

また、高温域で発電運転を行なう燃料電池の例として、水素透過性材料を用いた燃料電池が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。上記以外にも、これに関連する技術か種々開示されている(例えば、特許文献3及び4参照。)。   Moreover, a fuel cell using a hydrogen permeable material is disclosed as an example of a fuel cell that performs a power generation operation in a high temperature range (see, for example, Patent Document 2). In addition to the above, various techniques related to this are disclosed (for example, see Patent Documents 3 and 4).

また、改質反応から再生反応に切り替える際、水蒸気等の非加熱流体を改質用原料の流れ方向から逆の方向に流して、改質反応器の出口部(改質時)の熱を改質反応器の中央部に移送するPSR型の改質反応器が提案されている(例えば、特許文献5参照。)。しかし、このようなシステムを用いる場合、改質反応から再生反応に切替える際、改質反応で発生した改質用原料や改質用ガスが改質反応器内に残留してしまう。改質反応器内に改質用原料や改質用ガスが残留すると、再生反応時に非加熱流体と共に、改質反応器内の改質用原料や改質用ガスが大気に排出されてしまう。このような改質用原料及び改質用ガスのの排出はエミッションの低下につながることから、改善が求められている。
米国特許2004−175326号明細書 特開2004−146337号公報 米国特許2004−170558号明細書 米国特許2004−170559号明細書 米国特許2003−235529号明細書
In addition, when switching from the reforming reaction to the regeneration reaction, the heat at the outlet of the reforming reactor (during reforming) is improved by flowing a non-heating fluid such as steam in the direction opposite to the flow direction of the reforming raw material. A PSR type reforming reactor that has been transferred to the center of a quality reactor has been proposed (see, for example, Patent Document 5). However, when such a system is used, when switching from the reforming reaction to the regeneration reaction, the reforming raw material and the reforming gas generated in the reforming reaction remain in the reforming reactor. When the reforming raw material and the reforming gas remain in the reforming reactor, the reforming raw material and the reforming gas in the reforming reactor are discharged to the atmosphere together with the non-heated fluid during the regeneration reaction. Since the discharge of the reforming raw material and the reforming gas leads to a reduction in emissions, there is a demand for improvement.
U.S. Patent No. 2004-175326 JP 2004-146337 A U.S. Patent No. 2004-170558 US Patent No. 2004-170559 US 2003-235529

以上のように、改質反応と再生反応(発熱反応)とを切替えて水素を改質生成する改質装置を用いた燃料電池システムについて提案されているものの、反応切替え時におけるエミッション低下を抑制する技術については未だ提案されていないのが現状である。   As described above, although a fuel cell system using a reforming device that reforms and generates hydrogen by switching between a reforming reaction and a regeneration reaction (exothermic reaction) has been proposed, it suppresses emission reduction at the time of reaction switching. The technology is not yet proposed.

本発明は、エミッション低下を抑制した水素生成装置、及び、これを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the hydrogen generator which suppressed the emission fall, and a fuel cell system using the same.

本発明は、吸熱反応である改質用原料と改質用ガスとの水蒸気改質反応と、水蒸気改質反応により低下した触媒温度を回復させ触媒上での改質反応性を再生するための発熱用原料の発熱反応(以下、「再生反応」ともいう。)と、を切替えて繰り返す水素生成装置及びこれを用いた燃料電池に関するものである。尚、前記発熱反応には、燃焼反応等が含まれる。   The present invention provides a steam reforming reaction between a reforming raw material and a reforming gas, which is an endothermic reaction, and recovers the catalyst temperature lowered by the steam reforming reaction to regenerate the reforming reactivity on the catalyst. The present invention relates to a hydrogen generating apparatus that repeatedly switches and repeats an exothermic reaction (hereinafter also referred to as “regeneration reaction”) of a raw material for heat generation, and a fuel cell using the same. The exothermic reaction includes a combustion reaction and the like.

前記目的を達成するために、第1の発明である水素生成装置は、触媒を備え、改質用原料及び改質用ガスが供給されたときには加熱された前記触媒上で前記改質用原料及び改質用ガスの改質反応によって水素含有ガスを生成し、発熱用原料が供給されたときには前記発熱用原料の発熱反応によって前記触媒を加熱し、前記改質反応と前記発熱反応とが切り替え可能な改質反応器と、前記改質反応器へ供給される流体及び前記改質反応器から排出される流体の各流路を切り替えるための切替手段と、前記改質反応器の改質反応と発熱反応とが交互に行われるように、前記改質反応器に供給される流体及び前記改質反応器から排出される流体を前記切替手段によって切り替え、且つ、前記改質反応器を改質反応から再生反応に切替える際に、前記改質用原料の供給を停止すると共に、前記改質反応器中に残存する改質用原料及び/又は改質用ガスの少なくとも一部を改質反応時に前記水素含有ガスが排出される側から排出した後に前記改質反応器を前記改質反応から前記発熱反応に切り替える制御手段と、を備えたものである。   In order to achieve the above object, a hydrogen generator according to a first aspect of the present invention includes a catalyst, and when the reforming raw material and the reforming gas are supplied, the reforming raw material and the reforming raw material are heated on the catalyst. Hydrogen-containing gas is generated by the reforming reaction of the reforming gas, and when the exothermic raw material is supplied, the catalyst is heated by the exothermic reaction of the exothermic raw material, and the reforming reaction and the exothermic reaction can be switched. A reforming reactor, switching means for switching each flow path of the fluid supplied to the reforming reactor and the fluid discharged from the reforming reactor, and the reforming reaction of the reforming reactor, The fluid supplied to the reforming reactor and the fluid discharged from the reforming reactor are switched by the switching means so that the exothermic reaction is performed alternately, and the reforming reactor is reformed. When switching from regenerative reaction to The supply of quality raw material is stopped and at least part of the reforming raw material and / or reforming gas remaining in the reforming reactor is discharged from the side where the hydrogen-containing gas is discharged during the reforming reaction. And a control means for switching the reforming reactor from the reforming reaction to the exothermic reaction.

ここで、本発明における「改質反応」には、下記の吸熱反応である「水蒸気改質反応」の他に発熱反応である「部分酸化反応」が含まれる場合がある。   Here, the “reforming reaction” in the present invention may include a “partial oxidation reaction” which is an exothermic reaction in addition to the “steam reforming reaction” which is the following endothermic reaction.

n2n+2+nH2O → (2n+1)H2+nCO …(1)
n2n+2+(n/2)O2 → (n+1)H2+nCO …(2)
CO+H2O → CO2+H2 …(3)
CH4+3H2 → CH4+H2O …(4)
C n H 2n + 2 + nH 2 O → (2n + 1) H 2 + nCO (1)
C n H 2n + 2 + (n / 2) O 2 → (n + 1) H 2 + nCO (2)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (3)
CH 4 + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (4)

本発明における改質反応においては、主に上記(1)の水蒸気改質反応が主としておこなわれる。   In the reforming reaction in the present invention, the steam reforming reaction (1) is mainly performed.

第1の本発明によれば、制御手段は、改質反応から発熱反応(再生反応)に切替える際、前記改質反応器中に残存する改質用原料及び/又は改質用ガスの少なくとも一部を改質反応時に前記水素含有ガスが排出される側から排出した後に、切替手段により、改質反応器へ供給される流体を切替えて改質反応から発熱反応へと切替えることで、残存する改質用原料及び/又は改質用ガスが、再生反応時に再生反応のオフガスが排出される側から排出されるのを防止することができる。これにより、水素生成装置のエミッションの低下を抑制することができる。   According to the first aspect of the present invention, the control means switches at least one of the reforming raw material and / or the reforming gas remaining in the reforming reactor when switching from the reforming reaction to the exothermic reaction (regeneration reaction). After the portion is discharged from the side where the hydrogen-containing gas is discharged during the reforming reaction, the fluid supplied to the reforming reactor is switched by the switching means to switch from the reforming reaction to the exothermic reaction. It is possible to prevent the reforming material and / or the reforming gas from being discharged from the side from which the regeneration reaction off-gas is discharged during the regeneration reaction. Thereby, the fall of the emission of a hydrogen generator can be controlled.

本発明において、前記改質用原料としては、水蒸気改質などの改質反応により水素及び一酸化炭素の合成ガス(特に水素)を得るための燃料として一般に用いられる炭化水素燃料(例えばメタンガス、ガソリンなど)の中から適宜選択して用いることができる。前記改質用ガスとしては、水蒸気改質に必要な水分を含む水蒸気等を用いることができる。更に、前記改質用ガスとしては、例えば、燃料電池のカソード(空気極;以下同様)から排出され、水分を含有するガス(以下、「カソードオフガス」ということがある。)を用いることもできる。   In the present invention, the raw material for reforming is a hydrocarbon fuel (for example, methane gas, gasoline) generally used as a fuel for obtaining a synthesis gas (particularly hydrogen) of hydrogen and carbon monoxide by a reforming reaction such as steam reforming. Etc.) can be appropriately selected and used. As the reforming gas, steam containing water necessary for steam reforming can be used. Further, as the reforming gas, for example, a gas (hereinafter, also referred to as “cathode off-gas”) exhausted from the cathode (air electrode; hereinafter the same) of the fuel cell and containing water can also be used. .

また、前記発熱用原料としては、発熱用の燃料等と空気との混合物が挙げられ、前記発熱用燃料としては一般に用いられる炭化水素燃料(例えばメタンガス、ガソリンなど)などの中から適宜選択できる。更に、前記発熱用燃料として、アノード(水素極;以下同様)から排出される水素を含むガス(以下、「アノードオフガス」ということがある。)を用いてもよい。   In addition, the exothermic raw material includes a mixture of exothermic fuel or the like and air, and the exothermic fuel can be appropriately selected from commonly used hydrocarbon fuels (eg, methane gas, gasoline, etc.). Furthermore, a gas containing hydrogen discharged from the anode (hydrogen electrode; hereinafter the same) (hereinafter sometimes referred to as “anode off gas”) may be used as the heat generating fuel.

また、第一の本発明によれば、前記制御手段が、前記改質反応器を改質反応から発熱反応に切替える際に、前記改質用原料の供給を停止すると共に、前記改質反応器にパージガスを供給し、前記パージガスによって前記改質反応器中に残存する改質用原料及び/又は改質用ガスの少なくとも一部を排出するように構成することができる。このように、前記改質用原料の供給を停止すると共に、パージガスによって前記改質反応器中に残存する改質用原料及び/又は改質用ガスの少なくとも一部を排出することで、改質反応時に前記水素含有ガスが排出される側から残存する改質用原料及び/又は改質用ガスの少なくとも一部を排出することができると共に、改質反応器中に残存する水素含有ガスをも同側からパージガスによって排出することができる。このため、エミッション低下を抑制すると共に水素含有ガスの利用効率を向上することができる。また、前記パージガスとしては、水蒸気等を用いることができ、更に、前記改質用ガスを用いてもよい。以下、改質反応時に水素含有ガスが排出される側(即ち、発熱反応(再生反応)時には発熱用原料が供給される側)を「再生側」という場合がある。   According to the first aspect of the present invention, when the control means switches the reforming reactor from a reforming reaction to an exothermic reaction, the supply of the reforming raw material is stopped and the reforming reactor is stopped. The purge gas may be supplied to the gas, and at least a part of the reforming raw material and / or the reforming gas remaining in the reforming reactor may be discharged by the purge gas. Thus, the reforming raw material is stopped by supplying the reforming raw material and / or the reforming gas remaining in the reforming reactor with the purge gas. At the time of the reaction, at least part of the reforming raw material and / or reforming gas remaining from the side from which the hydrogen-containing gas is discharged can be discharged, and the hydrogen-containing gas remaining in the reforming reactor can also be discharged. It can be discharged from the same side with purge gas. For this reason, emission efficiency can be suppressed and the utilization efficiency of the hydrogen-containing gas can be improved. Further, as the purge gas, water vapor or the like can be used, and further, the reforming gas may be used. Hereinafter, the side where the hydrogen-containing gas is discharged during the reforming reaction (that is, the side where the exothermic raw material is supplied during the exothermic reaction (regeneration reaction)) may be referred to as the “regeneration side”.

第一の本発明によれば、前記制御手段は、前記改質反応器を改質反応から発熱反応に切替える際に、前記改質反応器への前記改質用ガスの供給を維持しつつ、前記改質用原料の前記改質反応器への供給を停止することで、前記改質反応器中に残存する改質用原料及び/又は改質用ガスの少なくとも一部を前記改質反応器から排出するように構成することができる。このように、前記改質反応器への前記改質用ガスの供給を維持しつつ、前記改質用原料の前記改質反応器への供給を停止することで、改質反応器内の混合ガスを改質用ガスで反応器外に押し出すことができ、改質反応器内に残存する改質用原料及び/又は改質用ガスの少なくとも一部並びに水素含有ガスを反応器の再生側から排出することができる。   According to the first aspect of the present invention, the control means maintains the supply of the reforming gas to the reforming reactor when switching the reforming reactor from the reforming reaction to the exothermic reaction, By stopping the supply of the reforming raw material to the reforming reactor, at least part of the reforming raw material and / or reforming gas remaining in the reforming reactor is removed from the reforming reactor. It can be configured to discharge from. In this way, the supply of the reforming raw material to the reforming reactor is stopped while maintaining the supply of the reforming gas to the reforming reactor, thereby mixing in the reforming reactor. The gas can be pushed out of the reactor with the reforming gas, and at least a part of the reforming raw material and / or the reforming gas remaining in the reforming reactor and the hydrogen-containing gas are supplied from the regeneration side of the reactor. Can be discharged.

また、第一の本発明の水素生成装置は、前記改質反応器を少なくとも一対備え、前記制御手段が、前記一対の改質反応器の改質反応及び発熱反応をそれぞれ交互に切替えて、一方の前記改質反応器が改質反応を行うと共に他方の前記改質反応器が発熱反応をおこうなうように構成することができる。このように、蓄熱を利用した燃料の改質反応と改質反応で低下した蓄熱量を回復させる発熱反応(再生反応)とを切替えて行なうことができる改質反応器(以下、「PSR(Pressure swing reforming)型改質器」ともいう。)を一対備えることで、少なくとも1基が燃料の改質反応を行なうと共に、他の少なくとも1基において再生反応を行なわせるように構成することができる(以下、この水素生成装置を「PSR改質装置」ということがある。)。   The hydrogen generator of the first aspect of the present invention comprises at least a pair of the reforming reactors, and the control means alternately switches the reforming reaction and the exothermic reaction of the pair of reforming reactors, The reforming reactor can perform a reforming reaction, and the other reforming reactor can perform an exothermic reaction. In this way, a reforming reactor (hereinafter referred to as “PSR (Pressure)” which can be performed by switching between a reforming reaction of fuel using heat storage and an exothermic reaction (regeneration reaction) for recovering the amount of heat storage reduced by the reforming reaction. By providing a pair of “swing reforming type reformers”), at least one unit can perform a fuel reforming reaction and at least one other unit can perform a regeneration reaction ( Hereinafter, this hydrogen generator is sometimes referred to as “PSR reformer”.)

例えば改質反応器が2基である場合、一方を器内の蓄熱を利用して吸熱反応である改質反応させると共に、他方では発熱反応である再生反応が行われる。前記一方の蓄熱量が改質反応の進行により低下したときには、2基の改質反応器への改質用原料の流路及び燃焼用燃料の流路を切替える切替手段によって切替え、他方の改質反応器において再生反応により蓄熱された熱で燃料改質を行なうように再生反応から改質反応へ切替えることができる。これにより、別途の加熱器等が不要になり、熱エネルギーの利用効率の高い連続的な水素生成が可能である。   For example, when there are two reforming reactors, one of them undergoes a reforming reaction that is an endothermic reaction using heat storage in the chamber, and the other is a regeneration reaction that is an exothermic reaction. When the one heat storage amount decreases due to the progress of the reforming reaction, switching is performed by switching means for switching the reforming material flow path to the two reforming reactors and the combustion fuel flow path, and the other reforming is performed. It is possible to switch from the regeneration reaction to the reforming reaction so that the fuel reforming is performed with the heat stored by the regeneration reaction in the reactor. This eliminates the need for a separate heater and enables continuous hydrogen generation with high use efficiency of heat energy.

第2の本発明である燃料電池システムは、上述の本発明の水素生成装置と、前記改質反応器で改質生成された水素含有ガスの供給により発電する燃料電池と、を備えて構成することができる。   A fuel cell system according to a second aspect of the present invention includes the above-described hydrogen generator of the present invention and a fuel cell that generates electric power by supplying the hydrogen-containing gas reformed and produced in the reforming reactor. be able to.

第2の本発明によれば、改質反応器内の残存する改質用原料及び/又は改質用ガスの少なくとも一部がシステム外に排出されることを防止することができる。これにより、燃料電池システムのエミッションの低下を抑制することができる。   According to the second aspect of the present invention, it is possible to prevent at least a part of the reforming raw material and / or reforming gas remaining in the reforming reactor from being discharged out of the system. Thereby, the fall of the emission of a fuel cell system can be suppressed.

また、第2の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池として、水素透過性金属層と、前記水素透過性金属層の少なくとも片側に配置された電解質層と、を備えたものを用いることができる。   In the fuel cell system according to the second aspect of the present invention, the fuel cell includes a hydrogen permeable metal layer and an electrolyte layer disposed on at least one side of the hydrogen permeable metal layer. it can.

前記水素透過性金属層と電解質層とを備えた燃料電池は、作動温度域が300〜600℃である。この温度域は水蒸気改質反応が進行する反応温度域とほぼ同じであるため、水蒸気改質生成された水素含有ガスが燃料電池の運転温度域で供給されるという利点を有すると共に、アノードオフガスをそのままPSR型改質器に戻して再生反応に利用することができる。これにより、システム構成上及び熱エネルギーの有効利用の点で特に適している。   The fuel cell including the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer has an operating temperature range of 300 to 600 ° C. Since this temperature range is substantially the same as the reaction temperature range in which the steam reforming reaction proceeds, it has the advantage that the hydrogen-containing gas produced by steam reforming is supplied in the operating temperature range of the fuel cell, and the anode offgas is reduced. It can be returned to the PSR reformer as it is and used for the regeneration reaction. This is particularly suitable in terms of system configuration and effective use of thermal energy.

本発明によれば、エミッション低下を抑制した水素生成装置、及び、これを用いた燃料電池システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hydrogen generator which suppressed the emission fall, and a fuel cell system using the same can be provided.

(第1の実施の形態)
以下、図を用いて、本発明の燃料電池システムの実施形態について詳細に説明すると共に、該説明を通じて本発明の水素生成装置の詳細についても具体的に説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, and details of the hydrogen generator of the present invention will also be specifically described through the description.

本実施の形態においては、水素透過性の金属膜の表面にプロトン伝導性のセラミックスが積層されたものを電解質膜として用いた水素分離膜型燃料電池(HMFC)が搭載された電気自動車に本発明の水素生成装置を搭載し、この水素生成装置で改質生成された水素で水素分離膜型燃料電池を発電運転させるように構成した燃料電池システムに関するものである。   In the present embodiment, the present invention is applied to an electric vehicle equipped with a hydrogen separation membrane fuel cell (HMFC) in which a proton-permeable ceramic layer laminated on the surface of a hydrogen-permeable metal membrane is used as an electrolyte membrane. The hydrogen generation apparatus is mounted, and the hydrogen separation membrane fuel cell is configured to perform a power generation operation using hydrogen reformed and generated by the hydrogen generation apparatus.

本実施の形態においては、水蒸気改質反応により改質する改質用原料としてガソリンが、改質用ガスとして水分を含むカソードオフガスが用いられる。また、本実施の形態においては、発熱反応として燃焼反応が利用され、発熱反応時に用いられる発熱用原料としては、燃焼用燃料と燃焼用ガスとの混合燃料が用いられる。本実施の形態においては、前記燃焼用燃料としては燃料電池の水素極側から排出されたアノードオフガスが用いられ、燃焼用ガスとして燃焼エア(空気)が用いられる。但し、本発明は係る態様に限定されるものではない。   In the present embodiment, gasoline is used as the reforming material to be reformed by the steam reforming reaction, and cathode offgas containing moisture is used as the reforming gas. In the present embodiment, a combustion reaction is used as the exothermic reaction, and a mixed fuel of combustion fuel and combustion gas is used as the exothermic raw material used in the exothermic reaction. In the present embodiment, anode off-gas discharged from the hydrogen electrode side of the fuel cell is used as the combustion fuel, and combustion air (air) is used as the combustion gas. However, the present invention is not limited to such an embodiment.

まず、図1を用いて本発明の燃料電池システムの基本的構成について説明する。図1は、第1の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す概略図である。図1において、本発明の燃料電池システム100は、反応器112(PSR1)及び反応器114(PSR2)を備えた水素生成装置110と、水素分離膜型の燃料電池120(HMFC)と、を備え、水素生成装置110で改質生成された水素を燃料電池120に供給することで発電運転を行なうように構成される。   First, the basic configuration of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. In FIG. 1, a fuel cell system 100 of the present invention includes a hydrogen generator 110 including a reactor 112 (PSR1) and a reactor 114 (PSR2), and a hydrogen separation membrane fuel cell 120 (HMFC). The hydrogen generation device 110 is configured to perform the power generation operation by supplying the hydrogen produced by reforming to the fuel cell 120.

図1に示す反応器112及び反応器114には、各々触媒及び噴射装置が設けられており、改質反応と再生反応とを切替えて行うことが可能なように構成されている。改質反応と再生反応との切替は、ガソリン(改質用原料)及びカソードオフガス(改質用ガス)の供給流路、アノードオフガス(燃焼用燃料)及び燃焼エア(燃焼用ガス)の供給流路、及び、改質生成された水素含有ガスの排出流路、並びに、再生反応させた反応器から排出される再生オフガスの流路を複数のバルブ(バルブV1〜V10及び三方バルブSV1〜SV8)を制御することで行なえるように構成されている。ここで、バルブV1〜V10は、その開閉によりガスの通過及び遮断が切替えられるバルブである。また、三方バルブSV1〜SV8には3つの管が連結されており、バルブの駆動により、3つの管のうち任意の2つの管を連通させるバルブである。   The reactor 112 and the reactor 114 shown in FIG. 1 are each provided with a catalyst and an injection device, and are configured so that the reforming reaction and the regeneration reaction can be switched. Switching between the reforming reaction and the regeneration reaction is performed by supplying gasoline (reforming raw material) and cathode offgas (reforming gas) supply flow path, anode offgas (combustion fuel), and combustion air (combustion gas) supply flow. A plurality of valves (valves V1 to V10 and three-way valves SV1 to SV8), a discharge passage for the hydrogen-containing gas produced by reforming, and a passage for the regeneration off gas discharged from the reactor subjected to the regeneration reaction. It is configured so that it can be done by controlling. Here, the valves V <b> 1 to V <b> 10 are valves that are switched between passing and blocking of gas by opening and closing thereof. Further, three pipes are connected to the three-way valves SV1 to SV8, and any two pipes of the three pipes are communicated with each other by driving the valves.

本発明の燃料電池システム100は、一方の反応器において水蒸気改質反応を行うとともに、他方の反応器において再生反応を行うように構成されている。また、水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、水蒸気改質反応を行っている反応器の温度をモニタリングし、反応器内の温度が一定温度よりも低下した場合には、2つの反応器に供給される燃料を切替えて、それぞれの改質・再生反応を反転させる。即ち、改質反応を行っていた反応器においては、改質用原料及び改質用ガスに替えて発熱用原料を供給して、改質反応を再生反応に切替え、また、再生反応を行っていた反応器においては発熱用原料に替えて改質用原料及び改質用ガスを供給することで、再生反応から改質反応にシフトさせる。この際、改質用原料及び改質用ガスの供給と発熱用原料との供給は、反応器内の温度勾配を考慮し、それぞれ対向する側から行われるように構成されている。   The fuel cell system 100 of the present invention is configured to perform a steam reforming reaction in one reactor and to perform a regeneration reaction in the other reactor. In addition, since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, the temperature of the reactor performing the steam reforming reaction is monitored, and when the temperature inside the reactor falls below a certain temperature, two reactors The fuel supplied to is switched to reverse the reforming and regeneration reactions. In other words, in a reactor that has undergone a reforming reaction, a heat generating raw material is supplied instead of the reforming raw material and the reforming gas, the reforming reaction is switched to the regeneration reaction, and the regeneration reaction is performed. In this reactor, the reforming raw material and the reforming gas are supplied instead of the exothermic raw material to shift from the regeneration reaction to the reforming reaction. At this time, the supply of the reforming raw material and the reforming gas and the supply of the exothermic raw material are performed from the opposite sides in consideration of the temperature gradient in the reactor.

本実施の形態においては、改質反応から再生反応(燃焼反応)に切替える際に、改質用原料であるガソリン及び改質用ガスであるカソードオフガスの供給を停止した後、パージガスを一定時間反応器に供給し、反応器中のガソリンを含む混合ガスを再生側から反応器外に排出した後に、バルブを切替えて各反応器に供給される原料及びガス等を切替え、改質反応/再生反応を切替えるように構成されている。   In the present embodiment, when switching from the reforming reaction to the regeneration reaction (combustion reaction), the supply of the gasoline for reforming and the cathode off-gas for reforming gas are stopped, and then the purge gas is reacted for a certain period of time. After supplying the reactor to the reactor and discharging the mixed gas containing gasoline from the regeneration side to the outside of the reactor, the valves are switched to change the raw materials and gases supplied to each reactor, and the reforming reaction / regeneration reaction It is comprised so that it may switch.

尚、本発明の燃料電池システム100の運転時においては、各反応器の改質・再生反応の切り替えが繰り返しおこなわれるが、本実施の形態においては便宜上、反応器112において改質反応を行い、また、反応器114において再生反応を行う場合について説明する。   In the operation of the fuel cell system 100 of the present invention, the reforming / regeneration reaction of each reactor is repeatedly switched. In this embodiment, for the sake of convenience, the reforming reaction is performed in the reactor 112. A case where the regeneration reaction is performed in the reactor 114 will be described.

本発明の燃料電池システムの基本構造について説明する。図1に示すように反応器112及び反応器114の一方の側(以下、「改質側」という場合がある。)には、燃料供給管130Aと三方バルブSV1を介して連結される燃料供給管130B及び燃料供給管130Cがそれぞれ連結されており、これらを通して改質用原料が供給されるように構成されている。燃料供給管130AにはポンプP1が備えられており、ポンプP1の駆動により、改質用原料であるガソリンが反応器112に供給される。また、燃料供給管130B及び130CにはそれぞれバルブV1及びV5が備えられている。更に、反応器112及び反応器114には、それぞれに各反応器内の温度を検出するための温度センサ116と温度センサ118とが備えられている。   The basic structure of the fuel cell system of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, a fuel supply connected to one side of the reactor 112 and the reactor 114 (hereinafter sometimes referred to as “reforming side”) via a fuel supply pipe 130A and a three-way valve SV1. The pipe 130B and the fuel supply pipe 130C are connected to each other, and the raw material for reforming is supplied through them. The fuel supply pipe 130A is provided with a pump P1, and gasoline that is a reforming raw material is supplied to the reactor 112 by driving the pump P1. The fuel supply pipes 130B and 130C are provided with valves V1 and V5, respectively. Furthermore, each of the reactor 112 and the reactor 114 is provided with a temperature sensor 116 and a temperature sensor 118 for detecting the temperature in each reactor.

反応器112及び反応器114の他方の側(再生側)には、それぞれ水素含有ガス排出管134Aの一端と水素含有ガス排出管134Bの一端とが連結されており、これら水素含有ガス排出管134A及び水素含有ガス排出管134Bの他端はそれぞれ三方バルブSV2に連結されている。また、三方バルブSV2には、更にアノード供給管136の一端が接続されており、三方バルブSV2の切り替えによってアノード供給管136と水素含有ガス排出管134A及び134Bのどちらかとを連通できるように構成されている。   One end of a hydrogen-containing gas discharge pipe 134A and one end of a hydrogen-containing gas discharge pipe 134B are connected to the other side (regeneration side) of the reactor 112 and the reactor 114, respectively. The other ends of the hydrogen-containing gas discharge pipe 134B are connected to the three-way valve SV2, respectively. One end of an anode supply pipe 136 is further connected to the three-way valve SV2, and the anode supply pipe 136 and one of the hydrogen-containing gas discharge pipes 134A and 134B can be communicated with each other by switching the three-way valve SV2. ing.

アノード供給管136の他端は燃料電池120のアノードと連結されており、係る管を介して水素含有ガスがアノードに供給される。燃料電池120のアノードには、その入口側にアノード供給管136の他端が連結されると共に、出口側にアノード排管138Aの一端が連結されている。燃料電池120のアノードに供給されたガスは、すべてこのアノード排管138Aを介して排出される。アノード排管138Aの他端には三方バルブSV3が連結されており、三方バルブSV3の切替えによってアノード排管138B及びアノード排管138Cのいずれかと連通されるように構成されている。   The other end of the anode supply pipe 136 is connected to the anode of the fuel cell 120, and a hydrogen-containing gas is supplied to the anode through the pipe. The anode of the fuel cell 120 is connected to the other end of the anode supply pipe 136 on the inlet side and to one end of the anode exhaust pipe 138A on the outlet side. All the gas supplied to the anode of the fuel cell 120 is discharged through the anode exhaust pipe 138A. A three-way valve SV3 is connected to the other end of the anode exhaust pipe 138A, and is configured to communicate with either the anode exhaust pipe 138B or the anode exhaust pipe 138C by switching the three-way valve SV3.

アノード排管138Cは他端で反応器114の再生側に連結されており、燃料電池120から排出されるアノードオフガスを供給できるように構成されている。また、アノード排管138Cには、燃焼エア供給管140Bと連結した混合器139が備えられている。燃焼エア供給管140Bは、三方バルブSV8を介して燃焼エア供給管140Aと連通されており、燃焼エア供給管140Bに備えられたバルブV2の開閉及びポンプP2の駆動によって混合器139に燃焼エアを供給できるように構成されている。燃料電池120から排出されたアノードオフガスは、混合器139において、燃焼エア供給管140Bから供給される燃焼エアと混合されて、反応器114へと供給されるように構成されている。また、アノード排管138CにはバルブV3が備えられている。更に、三方バルブSV8には、燃焼エア供給管140Cの一端が備えられている。   The anode exhaust pipe 138C is connected to the regeneration side of the reactor 114 at the other end, and is configured to be able to supply the anode off-gas discharged from the fuel cell 120. Further, the anode exhaust pipe 138C is provided with a mixer 139 connected to the combustion air supply pipe 140B. The combustion air supply pipe 140B is communicated with the combustion air supply pipe 140A via a three-way valve SV8. The combustion air is supplied to the mixer 139 by opening / closing the valve V2 provided in the combustion air supply pipe 140B and driving the pump P2. It is configured so that it can be supplied. The anode off gas discharged from the fuel cell 120 is mixed with the combustion air supplied from the combustion air supply pipe 140 </ b> B in the mixer 139 and supplied to the reactor 114. The anode exhaust pipe 138C is provided with a valve V3. Further, the three-way valve SV8 is provided with one end of a combustion air supply pipe 140C.

反応器114の改質側には、排出管142Aが接続されており、三方バルブSV4及び排出管142Bを介して酸化反応後のガスをシステム外に排出することができる。また、反応器114の改質側に連結される排出管142A、燃料供給管130Cには、それぞれバルブV4及びV5が備えられている。   A discharge pipe 142A is connected to the reforming side of the reactor 114, and the gas after the oxidation reaction can be discharged out of the system via the three-way valve SV4 and the discharge pipe 142B. Further, the discharge pipe 142A and the fuel supply pipe 130C connected to the reforming side of the reactor 114 are provided with valves V4 and V5, respectively.

排出管142Aは、三方バルブSV4を介して、排出管142B又は142Cと連通できるように構成されている。また、排出管142Cの他端は三方バルブSV5に連結されている。   The discharge pipe 142A is configured to be able to communicate with the discharge pipe 142B or 142C via the three-way valve SV4. The other end of the discharge pipe 142C is connected to the three-way valve SV5.

アノード排管138BにはバルブV6が備えられており、更にその他端において反応器112の再生側と連結されている。また、アノード配管138Bには、燃焼エア供給管140Cの他端が接続された混合器154が備えられている。更に、燃焼エア供給管140Cには、バルブV10が備えられている。   The anode exhaust pipe 138B is provided with a valve V6, and is connected to the regeneration side of the reactor 112 at the other end. Further, the anode pipe 138B is provided with a mixer 154 to which the other end of the combustion air supply pipe 140C is connected. Further, the combustion air supply pipe 140C is provided with a valve V10.

燃料電池120のカソード(酸素極;以下同様)の入口側には、ポンプP3を備えたカソード供給管144の一端が連結されており、カソード供給管144から供給される空気等をカソードに供給可能なように構成されている。また、燃料電池120のカソードの出口側には、ガス供給管146Aの一端が連結されており、カソードオフガスを排出できるようになっている。   One end of a cathode supply pipe 144 provided with a pump P3 is connected to the inlet side of the cathode (oxygen electrode; hereinafter the same) of the fuel cell 120, and air supplied from the cathode supply pipe 144 can be supplied to the cathode. It is configured as follows. Further, one end of a gas supply pipe 146A is connected to the cathode outlet side of the fuel cell 120 so that the cathode off-gas can be discharged.

ガス供給管146Aの他端には三方バルブSV5が備えられており、三方バルブSV5を介して、ガス供給管146Bと連通されている。また、三方バルブSV5には、排出管142Cの他端が連結されており、排出管142C及びガス供給管146Bのいずれかと連通可能なように構成されている。   The other end of the gas supply pipe 146A is provided with a three-way valve SV5, and communicates with the gas supply pipe 146B via the three-way valve SV5. Further, the other end of the discharge pipe 142C is connected to the three-way valve SV5, and is configured to be able to communicate with either the discharge pipe 142C or the gas supply pipe 146B.

ガス供給管146Bの他端には三方バルブSV6が連結されており、三方バルブSV6には更にバルブV7を備えたガス供給管146C及び排出管148の一端が連結されている。ガス供給管146Cの他端は、反応器112の改質側に連結されており、H2Oを含むカソードオフガスを反応器112に挿通できるように構成されている。また、排出管148は、三方バルブSV6の切替えによりガス供給管146Bから供給されるガスをシステム外に排出するために用いられる。 A three-way valve SV6 is connected to the other end of the gas supply pipe 146B, and one end of a gas supply pipe 146C having a valve V7 and a discharge pipe 148 are further connected to the three-way valve SV6. The other end of the gas supply pipe 146C is connected to the reforming side of the reactor 112, and is configured so that a cathode off-gas containing H 2 O can be inserted into the reactor 112. The discharge pipe 148 is used to discharge the gas supplied from the gas supply pipe 146B to the outside of the system by switching the three-way valve SV6.

また、燃料電池120の内部には、大気中から吸気した冷却用エア(Cooling Air)を挿通させるための冷却管150が設けられており、熱交換により電池内部を冷却できるように構成されている。   Further, inside the fuel cell 120, there is provided a cooling pipe 150 through which cooling air sucked from the atmosphere is inserted, so that the inside of the cell can be cooled by heat exchange. .

更に、本実施の形態においては、ポンプP4を備えたパージガス供給管152Aと、パージガス供給管152Aと三方バルブSV7を介して連結されるパージガス供給管152B及びパージガス供給管152Cとが備えられている。また、パージガス供給管152B及び152Cの他端は、各々、反応器112及び114の改質側に連結されており、パージガスとして供給される水蒸気を任意の反応器に改質側から供給できるように構成されている。更に、パージガス供給管152B及び152Cには、それぞれバルブV8及びV9が備えられている。本実施の形態においては、改質反応から再生反応に切替える時に、ガソリン及びカソードオフガスの供給を停止した後に、改質側から反応器内にパージガスとして水蒸気を供給することで、反応器内に残存する改質用原料である残存ガソリン、改質用ガスであるカソードオフガス及び残存水素含有ガスを反応器の再生側から排出することができる。これにより、反応器内の残存ガソリン及び残存カソードオフガスが反応器の改質側からシステム外等に排出されてエミッションが低下するのを防止することができるとともに、残存水素含有ガスを燃料電池に送ることができるので水素使用効率を高めることができる。   Further, in the present embodiment, a purge gas supply pipe 152A provided with a pump P4, a purge gas supply pipe 152B and a purge gas supply pipe 152C connected to the purge gas supply pipe 152A via a three-way valve SV7 are provided. The other ends of the purge gas supply pipes 152B and 152C are connected to the reforming side of the reactors 112 and 114, respectively, so that steam supplied as purge gas can be supplied to any reactor from the reforming side. It is configured. Further, the purge gas supply pipes 152B and 152C are provided with valves V8 and V9, respectively. In the present embodiment, when switching from the reforming reaction to the regeneration reaction, after the supply of gasoline and cathode offgas is stopped, water vapor is supplied as purge gas from the reforming side into the reactor, thereby remaining in the reactor. The remaining gasoline as the reforming raw material, the cathode offgas as the reforming gas, and the residual hydrogen-containing gas can be discharged from the regeneration side of the reactor. As a result, it is possible to prevent the residual gasoline and residual cathode off gas in the reactor from being discharged from the reforming side of the reactor to the outside of the system and the like, and the emission is reduced, and the residual hydrogen-containing gas is sent to the fuel cell. As a result, the efficiency of hydrogen use can be increased.

次に反応器112及び反応器114について、反応器112を例にその構成を説明する。図2は、反応器の構成を説明するための概略図である。反応器112は、図2に示すように、両端が閉塞された断面円形の筒状体160と、筒状体160の内壁面に担持された触媒(触媒担持部)162とで構成されており、筒状体160は反応を行なうための空間を形成すると共に、触媒担持体として機能を担っている。   Next, the configuration of the reactor 112 and the reactor 114 will be described using the reactor 112 as an example. FIG. 2 is a schematic view for explaining the configuration of the reactor. As shown in FIG. 2, the reactor 112 includes a cylindrical body 160 having a circular cross section whose both ends are closed, and a catalyst (catalyst supporting part) 162 supported on the inner wall surface of the cylindrical body 160. The cylindrical body 160 forms a space for carrying out the reaction and functions as a catalyst carrier.

筒状体160は、セラミックスハニカムを用いて直径10cmの断面円形の筒型に成形し、筒の長さ方向の両端を閉塞した中空体である。断面形状やサイズは、目的等に応じて、円形以外の矩形、楕円形などの任意の形状、サイズを選択することができる。   The cylindrical body 160 is a hollow body that is formed into a cylindrical shape having a circular cross section with a diameter of 10 cm using a ceramic honeycomb, and both ends in the longitudinal direction of the cylinder are closed. As the cross-sectional shape and size, an arbitrary shape and size such as a rectangle other than a circle and an ellipse can be selected according to the purpose and the like.

触媒162は、筒状体内壁の曲面のうち、筒状体の長さ方向両端から筒内方向に向かう筒の中央付近、すなわち長さ方向の両端からそれぞれ所定距離Aの領域を、触媒を担持しない触媒非担持部として残し、触媒非担持部を除く全面に担持されている。触媒162には、Pd、Ni、Pt、Rh、Ag、Ce、Cu、La、Mo、Mg、Sn、Ti、Y、Zn等の金属を用いることができる。   The catalyst 162 carries the catalyst in a region of a predetermined distance A from the both ends of the cylindrical body toward the in-cylinder direction, that is, from the both ends in the length direction, of the curved surface of the cylindrical body wall. It is left as a non-catalyst-supported portion and is supported on the entire surface excluding the non-catalyst-supported portion. For the catalyst 162, metals such as Pd, Ni, Pt, Rh, Ag, Ce, Cu, La, Mo, Mg, Sn, Ti, Y, and Zn can be used.

触媒162により改質反応を行った場合、改質生成された水素含有ガスは該ガスの排出方向下流側の触媒非担持部で冷却され、水素含有ガスを燃料電池120の運転温度に近づけて供給できる。また、逆に改質反応から再生反応に切替えられた場合には、触媒非担持部は水素含有ガスとの熱交換により昇温した状態にあり、水素含有ガスの排出方向とは逆向きに供給された燃焼用燃料であるアノードオフガスは触媒非担持部で予熱された後触媒162に供給されるようになっている。これにより、触媒162が担持された筒状体160の中央付近ほど、蓄熱量が高くなる温度分布が形成され、係る温度分布は反応性の点で有利である。なお、筒状体160には、触媒の温度を計測するための温度センサ116が取付けられている。   When the reforming reaction is performed by the catalyst 162, the reformed and produced hydrogen-containing gas is cooled by the catalyst non-supporting portion downstream in the gas discharge direction, and the hydrogen-containing gas is supplied close to the operating temperature of the fuel cell 120. it can. On the other hand, when the reforming reaction is switched to the regeneration reaction, the catalyst non-supporting part is heated by heat exchange with the hydrogen-containing gas, and is supplied in the direction opposite to the discharge direction of the hydrogen-containing gas. The anode off-gas, which is the combustion fuel, is supplied to the catalyst 162 after being preheated in the catalyst non-supporting portion. Thereby, a temperature distribution in which the amount of heat storage becomes higher is formed near the center of the cylindrical body 160 on which the catalyst 162 is supported, and this temperature distribution is advantageous in terms of reactivity. The tubular body 160 is attached with a temperature sensor 116 for measuring the temperature of the catalyst.

筒状体160の改質側の壁面には、燃料供給管130Bとガス供給管146Cとパージガス供給管152Bとが接続されており、燃料供給管130Bの先端部には噴射装置164が備えられている。また、筒状体160の再生側の壁面には、水素含有ガス排出管134Aとアノード排管138Bとが接続されている。   A fuel supply pipe 130B, a gas supply pipe 146C, and a purge gas supply pipe 152B are connected to the reforming side wall surface of the cylindrical body 160, and an injection device 164 is provided at the tip of the fuel supply pipe 130B. Yes. Further, a hydrogen-containing gas discharge pipe 134A and an anode discharge pipe 138B are connected to the wall surface on the regeneration side of the cylindrical body 160.

噴射装置164は、通常運転時に反応器112にて水蒸気改質反応を行う場合にはガソリン(改質用原料)を広角に噴射しカソードオフガス中に含まれる水分と共に筒状体160に内装された触媒162上への供給、反応を行なうことができるようになっている。この場合、水蒸気改質反応によって生成した水素含有ガスは、水素含有ガス排出管134Aから排気され、燃料電池120に供給される。   When performing a steam reforming reaction in the reactor 112 during normal operation, the injector 164 injects gasoline (reforming raw material) at a wide angle and is housed in the cylindrical body 160 together with moisture contained in the cathode offgas. The supply onto the catalyst 162 and the reaction can be performed. In this case, the hydrogen-containing gas generated by the steam reforming reaction is exhausted from the hydrogen-containing gas discharge pipe 134A and supplied to the fuel cell 120.

また、改質反応から切替えて反応器112にて再生反応を行う場合には、パージガスを供給した後に、アノードオフガス(及び必要によりガソリンや水素含有ガス等)を供給することにより、筒状体160に内装された触媒162上へのアノードオフガスを供給し、燃焼反応を行なうことができる。   Further, when the regeneration reaction is performed in the reactor 112 after switching from the reforming reaction, the tubular body 160 is supplied by supplying an anode off-gas (and gasoline or hydrogen-containing gas if necessary) after supplying the purge gas. The anode off-gas can be supplied onto the catalyst 162 built in the chamber to perform a combustion reaction.

次に、燃料電池120について図3を用いて説明する。図3は、本実施の形態における燃料電池を説明するための断面図である。水素分離膜型燃料電池(HMFC)120は、図3に示すように、水素透過性金属を用いた緻密な水素透過膜を有する電解質膜174と、電解質膜174を狭持する酸素極(O2極)176及び水素極(H2極)178とで構成されており、水素生成装置110で改質生成された水素含有ガスが供給されると水素を選択的に透過させて発電運転が行なえるようになっている。 Next, the fuel cell 120 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the fuel cell in the present embodiment. As shown in FIG. 3, the hydrogen separation membrane fuel cell (HMFC) 120 includes an electrolyte membrane 174 having a dense hydrogen permeable membrane using a hydrogen permeable metal, and an oxygen electrode (O 2) sandwiching the electrolyte membrane 174. Electrode) 176 and a hydrogen electrode (H 2 electrode) 178. When the hydrogen-containing gas reformed and generated by the hydrogen generator 110 is supplied, hydrogen can be selectively permeated to perform power generation operation. It is like that.

酸素極176と電解質膜174との間には、酸化剤ガスとして空気(Air)を通過、すなわち給排するためのエア流路180が形成されており、水素極178と電解質膜174との間には、水素リッチな燃料ガス(ここでは、改質生成された水素含有ガス)を通過、すなわち給排するための燃料流路182が形成されている。酸素極176及び水素極178は、カーボン(例えば、白金又は白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉)や電解質溶液(例えば、Aldrich Chemical社製のNafion Solution)など種々の材料を用いて形成可能である。   Between the oxygen electrode 176 and the electrolyte membrane 174, an air flow path 180 for passing, that is, supplying and exhausting air (Air) as an oxidant gas is formed between the hydrogen electrode 178 and the electrolyte membrane 174. A fuel flow path 182 for passing, that is, supplying and discharging hydrogen-rich fuel gas (here, reformed and produced hydrogen-containing gas) is formed. The oxygen electrode 176 and the hydrogen electrode 178 are made of various materials such as carbon (for example, carbon powder carrying platinum or an alloy made of platinum and another metal) or an electrolyte solution (for example, Nafion Solution manufactured by Aldrich Chemical). Can be formed.

電解質膜174は、バナジウム(V)で形成された緻密な基材(水素透過性金属からなる緻密な水素透過膜)184を含む4層構造となっている。パラジウム(Pd)層(水素透過性材料からなる緻密な水素透過膜)186,188は、基材184を両側から挟むようにして配置されており、一方のPd層186の基材184と接する側と逆側の面には、更にBaCeO3(固体酸化物)からなる電解質層190が薄膜状に設けられている。 The electrolyte membrane 174 has a four-layer structure including a dense substrate (dense hydrogen permeable membrane made of hydrogen permeable metal) 184 formed of vanadium (V). Palladium (Pd) layers (dense hydrogen permeable membranes made of a hydrogen permeable material) 186 and 188 are arranged so as to sandwich the base material 184 from both sides, and are opposite to the side in contact with the base material 184 of one Pd layer 186. On the side surface, an electrolyte layer 190 made of BaCeO 3 (solid oxide) is further provided in a thin film shape.

基材184は、バナジウム(V)以外に、ニオブ、タンタル、及びこれらの少なくとも一種を含む合金を用いて好適に形成することができる。これらは、高い水素透過性を有すると共に、比較的安価であるためコスト面で有利である。   The base material 184 can be suitably formed using niobium, tantalum, and an alloy containing at least one of these in addition to vanadium (V). These have high hydrogen permeability and are relatively inexpensive, which is advantageous in terms of cost.

電解質層(BaCeO3膜)190は、BaCeO3以外にSrCeO3系のセラミックスプロトン伝導体などを用いて構成することができる。 Electrolyte layer (BaCeO 3 film) 190 may be configured by using a SrCeO 3 based ceramic proton conductor other than BaCeO 3.

前記水素透過性金属には、パラジウム以外に、例えば、バナジウム、ニオブ、タンタル及びこれらの少なくとも一種を含む合金、並びにパラジウム合金などが挙げられる。これらを用いた緻密膜を設けることで電解質層を保護できる。   Examples of the hydrogen permeable metal include, in addition to palladium, vanadium, niobium, tantalum, an alloy containing at least one of these, and a palladium alloy. The electrolyte layer can be protected by providing a dense film using these.

前記水素透過性金属からなる緻密膜(被膜)については、酸素極176側では、一般に水素透過性が高く比較的安価である点で、例えば、バナジウム(バナジウム単体及び、バナジウム−ニッケル等の合金を含む。)、ニオブ、タンタル及びこれらの少なくとも一種を含む合金のいずれかを用いるのが好ましい。これらは水素極側での適用も可能であるが、水素脆化を回避する点で酸素極176側に用いることが望ましい。また、水素極178側では、水素透過性が比較的高く水素脆化しにくい点で、例えば、パラジウム又はパラジウム合金を用いるのが好ましい。   The dense film (coating film) made of the hydrogen permeable metal is generally made of vanadium (vanadium simple substance and vanadium-nickel alloy, etc.) on the oxygen electrode 176 side because it is generally high in hydrogen permeability and relatively inexpensive. ), Niobium, tantalum, and alloys containing at least one of these are preferably used. Although these can be applied on the hydrogen electrode side, it is desirable to use them on the oxygen electrode 176 side in order to avoid hydrogen embrittlement. On the hydrogen electrode 178 side, for example, palladium or a palladium alloy is preferably used because hydrogen permeability is relatively high and hydrogen embrittlement is difficult.

図3に示すように、Pd層186/基材184/Pd層188の3層からなるサンドウィッチ構造膜、すなわち異種金属(水素透過性材料からなる緻密膜)からなる2層以上の積層構造を有してなる場合、異種金属の接触界面の少なくとも一部に該異種金属同士の拡散を抑制する金属拡散抑制層を設けるようにしてもよい(例えば、後述の図10及び図11参照)。また、金属拡散抑制層については、特開2004−146337号公報の段落番号[0015]〜[0016]に記載されている。   As shown in FIG. 3, a sandwich structure film consisting of three layers of Pd layer 186 / base material 184 / Pd layer 188, that is, a laminated structure of two or more layers made of different metals (dense film made of hydrogen permeable material). In this case, a metal diffusion suppression layer that suppresses diffusion of the different metals may be provided on at least a part of the contact interface of the different metals (for example, see FIGS. 10 and 11 described later). The metal diffusion suppressing layer is described in paragraph numbers [0015] to [0016] of JP-A No. 2004-146337.

上述のサンドウィッチ構造膜の層構成としては、パラジウム(Pd)/バナジウム(V)/Pdで構成する以外に、Pd/タンタル(Ta)/V/Ta/Pd等の5層構造などにすることも可能である。既述のように、VはPdよりプロトン又は水素原子の透過速度が速く安価であるが、水素分子をプロトン等に解離する能力が低い。このため、水素分子をプロトン化する能力の高いPd膜をV膜の片側又は両側の面に設けることで、水素透過性能を向上させることができる。この場合に、金属膜間に金属拡散抑制層を設けることで、異種金属同士の相互拡散を抑え、水素透過性能の低下、ひいては燃料電池の起電力の低下を抑制することができる。   As the layer structure of the above sandwich structure film, in addition to the structure of palladium (Pd) / vanadium (V) / Pd, a five-layer structure such as Pd / tantalum (Ta) / V / Ta / Pd may be used. Is possible. As described above, V has a faster proton or hydrogen atom permeation rate than Pd and is inexpensive, but has a lower ability to dissociate hydrogen molecules into protons and the like. For this reason, hydrogen permeation performance can be improved by providing a Pd membrane having a high ability to protonate hydrogen molecules on one or both sides of the V membrane. In this case, by providing a metal diffusion suppression layer between the metal films, it is possible to suppress mutual diffusion between different kinds of metals and to suppress a decrease in hydrogen permeation performance, and thus a decrease in electromotive force of the fuel cell.

また、電解質層190は固体酸化物からなり、Pd層186との界面の一部に、電解質層190中の酸素原子とPdとの反応を抑制する反応抑制層を設けてもよい(例えば後述の図10の反応抑制層210)。この反応抑制層については、特開2004−146337号公報の段落[0024]〜[0025]に記載されている。   The electrolyte layer 190 is made of a solid oxide, and a reaction suppression layer that suppresses the reaction between oxygen atoms in the electrolyte layer 190 and Pd may be provided at a part of the interface with the Pd layer 186 (for example, described later). Reaction suppression layer 210 in FIG. This reaction suppression layer is described in paragraphs [0024] to [0025] of JP-A No. 2004-146337.

電解質膜174は、緻密な水素透過性材料であるバナジウム基材と燃料電池120のカソード側に成膜された無機質の電解質層とで構成することで電解質膜の薄膜化が可能となり、これを一般に用いられる高温型の固体酸化物型燃料電池(SOFC)に適用すると、作動温度を300〜600℃の温度域に低温化することができる。これにより、燃料電池から排出されたカソードオフガスを直接、改質反応させるPSR型改質器に供給する本発明の燃料電池システムを好適に構成することが可能である。   The electrolyte membrane 174 is composed of a vanadium base material, which is a dense hydrogen-permeable material, and an inorganic electrolyte layer formed on the cathode side of the fuel cell 120, which makes it possible to reduce the thickness of the electrolyte membrane. When applied to a high-temperature solid oxide fuel cell (SOFC) used, the operating temperature can be lowered to a temperature range of 300 to 600 ° C. As a result, the fuel cell system of the present invention that supplies the cathode off-gas discharged from the fuel cell directly to the PSR reformer that undergoes the reforming reaction can be suitably configured.

水素分離膜型の燃料電池120は、燃料流路182に水素(H2)密度の高い水素含有ガスが供給され、エア流路180に酸素(O2)を含む空気が供給されると、下記式(1)〜(3)で表される電気化学反応(電池反応)を起こして外部に電力を供給する。なお、式(1) 、式(2)は各々アノード側、カソード側での反応を示し、式(3)は燃料電池での全反応である。 When a hydrogen-containing gas having a high hydrogen (H 2 ) density is supplied to the fuel flow path 182 and air containing oxygen (O 2 ) is supplied to the air flow path 180, the hydrogen separation membrane type fuel cell 120 will be described below. The electrochemical reaction (battery reaction) represented by the formulas (1) to (3) is caused to supply electric power to the outside. Equations (1) and (2) represent reactions on the anode side and the cathode side, respectively, and Equation (3) represents the total reaction in the fuel cell.

2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
2+(1/2)O2 → H2O …(3)
H 2 → 2H + + 2e (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

図4を用いて、各バルブの切替えについて説明する。図4は、バルブ制御を説明するための構成図である。図4に示すように、バルブV1〜V10、三方バルブSV1〜SV8は、及びポンプP1〜P4は制御部(CPU)170に接続されており、その開閉及び切替えが制御部170によって制御されている。また、制御部170は温度センサ116及び温度センサ118に接続されており、反応器112及び反応器114内の温度をモニタリングすることができる。制御部170は、反応器112及び反応器114内の温度に従ってバルブ及びポンプを制御し、各反応器の改質反応から再生反応(燃焼反応)へとシフトすることができる。更に、制御部170は、各ポンプを制御することにより、ガソリン(改質用原料)、カソードガス等の供給量を制御することができる。   Switching of each valve will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a configuration diagram for explaining the valve control. As shown in FIG. 4, the valves V <b> 1 to V <b> 10, the three-way valves SV <b> 1 to SV <b> 8, and the pumps P <b> 1 to P <b> 4 are connected to a control unit (CPU) 170. . The control unit 170 is connected to the temperature sensor 116 and the temperature sensor 118, and can monitor the temperature in the reactor 112 and the reactor 114. The controller 170 controls the valves and pumps according to the temperatures in the reactor 112 and the reactor 114, and can shift from the reforming reaction of each reactor to the regeneration reaction (combustion reaction). Furthermore, the control unit 170 can control the supply amount of gasoline (reforming raw material), cathode gas, and the like by controlling each pump.

次に本実施の形態における燃料電池システム100のガスの流れ及びその制御について図1を用いて説明する。図1において、太線で示された排管は、反応器112において改質反応を行い、反応器114において再生反応(燃焼反応)を行う場合において使用される管を示し、白抜きで示された排管は、かかる場合に使用されていない管を示す。また、図1に示されるバルブV1〜V10のうち、白抜きで示されたバルブは開状態であることを意味し、黒塗りで示されたバルブは閉状態であることを意味する。   Next, the gas flow and control of the fuel cell system 100 in the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the exhaust pipe indicated by a thick line indicates a pipe used when a reforming reaction is performed in the reactor 112 and a regeneration reaction (combustion reaction) is performed in the reactor 114, and is indicated by white lines. The drainage pipe indicates a pipe that is not used in such a case. In addition, among the valves V1 to V10 shown in FIG. 1, the valve shown in white means that the valve is open, and the valve shown in black means that the valve is closed.

図1においては、まずポンプP1の駆動によりガソリンが燃料供給管130Aから供給されると、三方バルブSV1によって燃料供給管130Aと連通された燃料供給管130Bを通じて、反応器112へと供給される。ここで、本実施の形態においては、改質反応に用いられる水分を燃料電池120からのカソードオフガスにより供給する循環型の形態としたが、必要に応じてシステム外からガソリンと共に又はガソリンと別に水分をシステム内に供給できるように構成することができる。   In FIG. 1, when gasoline is first supplied from the fuel supply pipe 130A by driving the pump P1, it is supplied to the reactor 112 through the fuel supply pipe 130B connected to the fuel supply pipe 130A by the three-way valve SV1. Here, in the present embodiment, the water used for the reforming reaction is a circulation type that supplies the cathode off-gas from the fuel cell 120, but if necessary, the water is supplied from outside the system together with the gasoline or separately from the gasoline. Can be configured to be supplied into the system.

ガソリンとカソードオフガスに含まれる水分とが供給された反応器112内では水蒸気改質反応により水素が発生し、水素含有ガスが水素含有ガス排出管134Aに排出される。この際、三方バルブSV2は水素含有ガス排出管134Aとアノード供給管136とが連通するように調整されている。反応器112から排出された水素含有ガスは、水素含有ガス排出管134A及びアノード供給管136を介して燃料電池120のアノードに供給され、燃料電池120の発電に使用される。   In the reactor 112 to which gasoline and moisture contained in the cathode off gas are supplied, hydrogen is generated by the steam reforming reaction, and the hydrogen-containing gas is discharged to the hydrogen-containing gas discharge pipe 134A. At this time, the three-way valve SV2 is adjusted so that the hydrogen-containing gas discharge pipe 134A and the anode supply pipe 136 communicate with each other. The hydrogen-containing gas discharged from the reactor 112 is supplied to the anode of the fuel cell 120 through the hydrogen-containing gas discharge pipe 134A and the anode supply pipe 136, and is used for power generation of the fuel cell 120.

燃料電池120のアノードにおいてプロトン化しなかった余剰水素を含むアノードオフガスは、アノード排管138Aから排出される。この際、三方バルブSV3は、アノード排管138Aとアノード排管138Cとが連通するように調整されており、アノード排管138Aに排出されたアノードオフガスが、アノード排管138Cに送られるように構成されている。アノード排管138Cに送られたアノードオフガスは、これを通じてまず混合器139に供給される。   The anode off gas containing surplus hydrogen that has not been protonated at the anode of the fuel cell 120 is discharged from the anode exhaust pipe 138A. At this time, the three-way valve SV3 is adjusted so that the anode exhaust pipe 138A and the anode exhaust pipe 138C communicate with each other, and the anode off-gas discharged to the anode exhaust pipe 138A is sent to the anode exhaust pipe 138C. Has been. The anode off gas sent to the anode exhaust pipe 138C is first supplied to the mixer 139 through this.

この際、三方バルブSV8は、燃焼エア供給管140A及び140Bが連通するように調整されており、混合器139に燃焼エアを供給することができる。また、バルブV2は開状態に制御されている。   At this time, the three-way valve SV8 is adjusted so that the combustion air supply pipes 140A and 140B communicate with each other, and the combustion air can be supplied to the mixer 139. Further, the valve V2 is controlled to be open.

混合器139に供給されたアノードオフガスは、燃焼エア供給管140A及びBを通じて供給される燃焼エアと混合された後、反応器114に供給される。この際、バルブV3は開状態となるように制御されている。尚、本発明においては、別途補助燃料用の配管を設け、アノードオフガスと共に再生反応を補助するガソリン等の補助燃焼を供給可能なように構成してもよい。   The anode off gas supplied to the mixer 139 is mixed with the combustion air supplied through the combustion air supply pipes 140A and 140B, and then supplied to the reactor 114. At this time, the valve V3 is controlled to be in an open state. In the present invention, a separate auxiliary fuel pipe may be provided so as to supply auxiliary combustion such as gasoline for assisting the regeneration reaction together with the anode off gas.

反応器114に供給されたアノードオフガスは、再生反応による発熱に用いられ、その後排出管142A及び142Bを介してシステム外に排出される。この際、排出管142に設けられたバルブV4が開状態になるように制御されると共に、燃料供給管130C及びパージガス供給管152Cに備えられたバルブV5及びV9は閉状態になるように制御されている。   The anode off gas supplied to the reactor 114 is used for heat generation by the regeneration reaction, and is then discharged out of the system through the discharge pipes 142A and 142B. At this time, the valve V4 provided in the discharge pipe 142 is controlled to be opened, and the valves V5 and V9 provided in the fuel supply pipe 130C and the purge gas supply pipe 152C are controlled to be closed. ing.

一方、燃料電池120のカソード側では、ポンプP3の駆動によりカソード供給管144を通じて、酸化剤となる空気が燃料電池120のカソードに供給される。カソードに供給された空気中の酸素は、電解質膜を通じてきたプロトンと、図を省略する外部回路を通じてきた電子と反応し、水を生成する。この水を含んだカソードオフガスは、ガス供給管146Aに排出される。   On the other hand, on the cathode side of the fuel cell 120, air serving as an oxidant is supplied to the cathode of the fuel cell 120 through the cathode supply pipe 144 by driving the pump P3. Oxygen in the air supplied to the cathode reacts with protons that have passed through the electrolyte membrane and electrons that have passed through an external circuit (not shown) to produce water. The cathode off gas containing water is discharged to the gas supply pipe 146A.

三方バルブSV5及びSV6は、ガス供給管146Aとガス供給管146Bとガス供給管146Cとが連通するように制御されており、燃料電池120のカソードから送られてきたカソードオフガスは、ガス供給管146A〜146Cを通じて反応器112に供給される。このように、燃料電池120からのカソードオフガスを、改質反応を行う反応器112に送ることで、カソードオフガスに含まれる水分を反応器112における水蒸気改質反応に利用することができる。これにより、例えば、システム外から供給する水分の量を低減することができ、効率的なシステムを構成することができる。   The three-way valves SV5 and SV6 are controlled so that the gas supply pipe 146A, the gas supply pipe 146B, and the gas supply pipe 146C communicate with each other, and the cathode off-gas sent from the cathode of the fuel cell 120 is the gas supply pipe 146A. To reactor 112 through ~ 146C. Thus, by sending the cathode offgas from the fuel cell 120 to the reactor 112 that performs the reforming reaction, the water contained in the cathode offgas can be used for the steam reforming reaction in the reactor 112. Thereby, for example, the amount of moisture supplied from outside the system can be reduced, and an efficient system can be configured.

また、通常運転時においては、冷却管150に冷却用エアが供給されており、冷却管150を通じて熱交換により燃料電池120内部を冷却するように構成されている。   Further, during normal operation, cooling air is supplied to the cooling pipe 150, and the inside of the fuel cell 120 is cooled by heat exchange through the cooling pipe 150.

次に、反応器112内の反応を改質反応から再生反応(燃焼反応)に切替える際の各バルブ及びポンプの制御について、図5及び図6を用いて説明する。まず、図5を用いて、反応器112におけるアノードオフガス(燃焼用燃料)、燃焼エア(燃焼用ガス)、水蒸気(パージガス)、ガソリン(改質用原料)、カソードオフガス(改質用ガス)の供給タイミングと供給量との関係について説明する。図5は、第1の実施の形態におけるアノードオフガス、燃焼エア、水蒸気、ガソリン及びカソードオフガスの供給タイミング及び供給量の関係を示す説明図である。   Next, control of each valve and pump when switching the reaction in the reactor 112 from the reforming reaction to the regeneration reaction (combustion reaction) will be described with reference to FIGS. 5 and 6. First, referring to FIG. 5, anode off-gas (combustion fuel), combustion air (combustion gas), water vapor (purge gas), gasoline (reforming raw material), cathode off-gas (reforming gas) in reactor 112. A relationship between the supply timing and the supply amount will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the supply timing and supply amount of anode off gas, combustion air, water vapor, gasoline, and cathode off gas in the first embodiment.

図5において、紙面右側から左側への矢印が示す方向は時間の経過を示し、各基準軸から紙面上方に伸びる矢印が示す方向は各原料及びガスの供給量を示す。また、図5は、反応器112における各原料及びガスの供給タイミング及び供給量の関係を示しており、第1周期及び第3周期においては反応器112内で改質反応が行われており、第2周期及び第4周期においては再生(燃焼)反応が行われている。本発明の燃料電池システムにおいては、この改質/再生反応が繰り返し行われる。   In FIG. 5, the direction indicated by the arrow from the right side to the left side of the paper indicates the passage of time, and the direction indicated by the arrow extending upward from the reference axis indicates the supply amount of each raw material and gas. FIG. 5 shows the relationship between the supply timing and supply amount of each raw material and gas in the reactor 112, and the reforming reaction is performed in the reactor 112 in the first period and the third period. In the second period and the fourth period, the regeneration (combustion) reaction is performed. In the fuel cell system of the present invention, this reforming / regeneration reaction is repeatedly performed.

図5に示すように、第1周期においては、反応器112にガソリン及びカソードオフガスが供給されており、改質反応が行われている。   As shown in FIG. 5, in the first period, gasoline and cathode off-gas are supplied to the reactor 112, and the reforming reaction is performed.

図5における第1周期中、制御部170は、温度センサ116により改質反応を行っている反応器112内の温度をモニタリングしており、検出した温度が所定の温度以下に低下したと判断すると、まず、反応器112へのガソリン及びカソードオフガスの供給を停止する(図5中、A点)。次いで、制御部170は反応器112内に水蒸気(パージガス)を供給して、反応器112内に残存するガソリン、カソードオフガス及び水素含有ガスをパージガスによって押出し、反応器112の再生側から排出する。これにより、再生反応時に反応器112の再生側から供給されるアノードオフガス等によって、残存するガソリンやカソードオフガスや水素含有ガスが反応器112の改質側から排出されるのを防止することができる。   During the first period in FIG. 5, the control unit 170 monitors the temperature in the reactor 112 that is performing the reforming reaction by the temperature sensor 116, and determines that the detected temperature has decreased below a predetermined temperature. First, the supply of gasoline and cathode off-gas to the reactor 112 is stopped (point A in FIG. 5). Next, the controller 170 supplies water vapor (purge gas) into the reactor 112, extrudes gasoline, cathode offgas, and hydrogen-containing gas remaining in the reactor 112 with the purge gas, and discharges them from the regeneration side of the reactor 112. Thereby, it is possible to prevent the remaining gasoline, cathode offgas, and hydrogen-containing gas from being discharged from the reforming side of the reactor 112 due to the anode offgas supplied from the regeneration side of the reactor 112 during the regeneration reaction. .

その後、水蒸気(パージガス)の供給を停止し(図5中、点B)、反応器112に、アノードオフガス及び燃焼エアを供給するように各バルブ及びポンプを切替える。この切替えにより、反応器112内の反応が改質反応から再生反応へと切替えられ、図5に示す第1周期から第2周期へとシフトされる。   Thereafter, the supply of water vapor (purge gas) is stopped (point B in FIG. 5), and the valves and pumps are switched so as to supply the anode off-gas and combustion air to the reactor 112. By this switching, the reaction in the reactor 112 is switched from the reforming reaction to the regeneration reaction, and is shifted from the first period shown in FIG. 5 to the second period.

図5における第2周期においては、反応器112内では、反応器114内の温度が所定の温度以下になるまで再生反応が行われる。制御部170によって反応器114内の温度が所定の温度以下であると判断されると再び、反応器112内の反応を改質反応に切替えるために、各バルブが切替えられ、第2周期から第3周期へと移行し、その後この改質/再生反応の繰り返しが、第3周期、第4周期、…第n周期へと継続される。この際、改質反応を行う第3周期等においては、第1周期と同様の処理が行われ、反応器112内の残存ガソリンを排出した後、次の周期へとシフトする。   In the second period in FIG. 5, the regeneration reaction is performed in the reactor 112 until the temperature in the reactor 114 becomes equal to or lower than a predetermined temperature. When the controller 170 determines that the temperature in the reactor 114 is equal to or lower than the predetermined temperature, the valves are switched again to switch the reaction in the reactor 112 to the reforming reaction. Then, the period of the reforming / regeneration reaction is continued to the third period, the fourth period,..., The nth period. At this time, in the third cycle in which the reforming reaction is performed, the same processing as that in the first cycle is performed, and after the remaining gasoline in the reactor 112 is discharged, the shift to the next cycle is performed.

次に、反応器112における改質反応から再生反応への移行制御について図6を用いて説明する。図6は、第1の実施の形態における反応器112の改質反応から再生反応への移行制御を示す流れ図である。図6において制御部170は、まず反応器112(PSR1)内で改質反応を行うために、反応器112にガソリンとカソードオフガスとを供給する(ステップS101)。制御部170は、ガソリンとカソードオフガスとを反応器112に供給しながら、改質反応が行われている反応器112内の温度を温度センサ116によってモニタリングし、反応器112内の温度T1を検出する(ステップS102)。   Next, transition control from the reforming reaction to the regeneration reaction in the reactor 112 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart showing the transition control from the reforming reaction to the regeneration reaction of the reactor 112 in the first embodiment. In FIG. 6, the controller 170 first supplies gasoline and cathode offgas to the reactor 112 in order to perform the reforming reaction in the reactor 112 (PSR1) (step S101). The controller 170 monitors the temperature in the reactor 112 in which the reforming reaction is performed while supplying gasoline and cathode off-gas to the reactor 112, and detects the temperature T1 in the reactor 112. (Step S102).

次いで制御部170は、温度センサ116によって検出した温度T1と閾値T0(例えば、約600℃)とを比較し、温度T1が閾値T0未満であるか否かを判断する(ステップS103)。制御部170が、温度T1が閾値T0以上であると判断した場合は(ステップS103否定)、引き続きステップS101に戻り、反応器112にガソリンとカソードオフガスとを供給する。   Next, the controller 170 compares the temperature T1 detected by the temperature sensor 116 with a threshold T0 (for example, about 600 ° C.), and determines whether or not the temperature T1 is less than the threshold T0 (step S103). When the controller 170 determines that the temperature T1 is equal to or higher than the threshold T0 (No at Step S103), the control unit 170 returns to Step S101 and supplies gasoline and cathode offgas to the reactor 112.

一方、制御部170が、温度T1が閾値未満であると判断した場合は(ステップS103肯定)、反応器112へのガソリン及びカソードオフガスの供給を停止する(ステップS104)。   On the other hand, when the controller 170 determines that the temperature T1 is less than the threshold (Yes at Step S103), the supply of gasoline and cathode offgas to the reactor 112 is stopped (Step S104).

次いで、制御部170は、一定量の水蒸気をパージガスとして反応器112に供給し、反応器112内の残存するガソリン、カソードオフガス及び水素含有ガスを反応器112の再生側から排出する(ステップS105)。本実施の形態においては、この水蒸気(パージガス)の供給により、残存ガソリンが改質側から排出されてシステムのエミッションが低下するのを抑制することができる。更に、本発明の燃料電池システム100は、残存水素含有ガスを反応器112の再生側から排出することで、反応器内の残存水素までを燃料電池において使用することができる。これにより、改質反応により生成した水素の使用効率を高くすることができる。   Next, the control unit 170 supplies a certain amount of water vapor as a purge gas to the reactor 112, and discharges the gasoline, cathode offgas, and hydrogen-containing gas remaining in the reactor 112 from the regeneration side of the reactor 112 (step S105). . In the present embodiment, the supply of the water vapor (purge gas) can suppress the remaining gasoline from being discharged from the reforming side and reducing the system emission. Furthermore, the fuel cell system 100 of the present invention can use the remaining hydrogen in the reactor in the fuel cell by discharging the residual hydrogen-containing gas from the regeneration side of the reactor 112. Thereby, the use efficiency of hydrogen produced | generated by reforming reaction can be made high.

パージガス供給後、制御部170は、各反応器の改質/再生反応を切替え、反応器112にアノードオフガス及び燃焼エアを供給して、反応器112内の反応を再生反応に切替え、低下した反応器内の温度を再生反応(発熱反応)により再生させる(ステップS106)。   After supplying the purge gas, the control unit 170 switches the reforming / regeneration reaction of each reactor, supplies anode off gas and combustion air to the reactor 112, switches the reaction in the reactor 112 to the regeneration reaction, and decreases the reaction. The temperature in the chamber is regenerated by a regeneration reaction (exothermic reaction) (step S106).

尚、上記説明においては、反応器112における改質反応から再生反応への切替え制御のみについて説明したが、反応器114における改質反応から再生反応への切替え時にも同様の制御が行われる。   In the above description, only the switching control from the reforming reaction to the regeneration reaction in the reactor 112 has been described, but the same control is performed when the reactor 114 switches from the reforming reaction to the regeneration reaction.

以上のように、本実施の形態においては、改質反応から再生反応に切替える際に、ガソリン及びカソードオフガスの供給停止後にパージエアーとして水蒸気を供給することで、反応器内に残存するガソリン、カソードオフガス及び残存水素含有ガスを再生側から排出でき、残存ガソリンがシステム外に排出されることによるエミッションの低下を抑制できる。また、反応器内の残存水素を再生側から排出することで、改質反応で生成した水素の使用効率を高めることができる。これにより、燃料電池システムの燃費を高めることもできる。   As described above, in the present embodiment, when switching from the reforming reaction to the regeneration reaction, the gasoline and cathode remaining in the reactor are supplied by supplying steam as purge air after stopping the supply of gasoline and cathode offgas. Off-gas and residual hydrogen-containing gas can be discharged from the regeneration side, and emission reduction due to residual gasoline being discharged outside the system can be suppressed. Moreover, the use efficiency of the hydrogen produced | generated by reforming reaction can be improved by discharging | emitting residual hydrogen in a reactor from the regeneration side. Thereby, the fuel consumption of a fuel cell system can also be improved.

(第2の実施の形態)
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。本実施の形態においては、改質反応器内の反応を改質反応から再生反応(発熱反応)に切替える際に、改質用原料であるガソリンの供給量を停止する一方、改質用ガスであるカソードオフガスの供給を一定時間維持することで、改質反応器内に残存するガソリン及び水素含有ガスを改質反応器の再生側から排出することができる。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, when the reaction in the reforming reactor is switched from the reforming reaction to the regeneration reaction (exothermic reaction), the supply amount of gasoline as the reforming raw material is stopped while the reforming gas is used. By maintaining the supply of a certain cathode off-gas for a certain time, the gasoline and hydrogen-containing gas remaining in the reforming reactor can be discharged from the regeneration side of the reforming reactor.

本実施の形態は、第1の実施の形態のように水蒸気をシステム外から供給する代わりにカソードオフガスを利用した態様である。図7に示すように、本実施の形態における燃料電池システム102は、図1におけるパージガス供給管140A〜C,ポンプP4、バルブV8及び三方バルブSV7以外は、図1における燃料電池システム100と同様の構成であり、同様の構成には同じ番号を付してその説明を省略する。   This embodiment is a mode in which cathode off-gas is used instead of supplying water vapor from outside the system as in the first embodiment. As shown in FIG. 7, the fuel cell system 102 in the present embodiment is the same as the fuel cell system 100 in FIG. 1 except for the purge gas supply pipes 140A to 140C, the pump P4, the valve V8, and the three-way valve SV7 in FIG. The same number is given to the same configuration, and the description is omitted.

図8及び9を用いて、第2の実施の形態における改質反応から再生反応(燃焼反応)に切替える際の各バルブ及びポンプの制御について説明する。まず、図8を用いて、反応器112におけるアノードオフガス(燃焼用燃料)、燃焼エア(燃焼用ガス)、ガソリン(改質用原料)及びカソードオフガス(改質用ガス)の供給タイミング及び供給量との関係について説明する。図8は、第2の実施の形態におけるアノードオフガス、燃焼エア、ガソリン及びカソードオフガスの供給タイミング及び供給量の関係を示す説明図である。   The control of each valve and pump when switching from the reforming reaction to the regeneration reaction (combustion reaction) in the second embodiment will be described with reference to FIGS. First, referring to FIG. 8, supply timing and supply amount of anode off-gas (combustion fuel), combustion air (combustion gas), gasoline (reforming raw material) and cathode off-gas (reforming gas) in the reactor 112. Will be described. FIG. 8 is an explanatory diagram showing the relationship between the supply timing and the supply amount of anode off gas, combustion air, gasoline, and cathode off gas in the second embodiment.

図8において、紙面右側から左側への矢印が示す方向は時間の経過を示し、各基準軸から紙面上方に伸びる矢印が示す方向は各原料及びガスの供給量を示す。また、図8は、反応器112における各原料及びガスの供給タイミング及び供給量の関係を示しており、第1周期及び第3周期においては反応器112内で改質反応が行われており、第2周期及び第4周期においては再生反応が行われている。本発明の燃料電池システムにおいては、この改質/再生反応が繰り返し行われる。   In FIG. 8, the direction indicated by the arrow from the right side to the left side of the paper indicates the passage of time, and the direction indicated by the arrow extending upward from the respective reference axes indicates the supply amount of each raw material and gas. FIG. 8 shows the relationship between the supply timing and supply amount of each raw material and gas in the reactor 112, and the reforming reaction is performed in the reactor 112 in the first period and the third period. A regeneration reaction is performed in the second period and the fourth period. In the fuel cell system of the present invention, this reforming / regeneration reaction is repeatedly performed.

図8における第1周期中、制御部170は、温度センサ116により改質反応を行っている反応器112内の温度をモニタリングしており、検出した温度が所定の温度以下に低下したと判断すると、まず、反応器112へのガソリンの供給を停止する(図8中、C点)。このガソリンの供給の停止によって、反応器112へと新たに追加される改質用原料(ガソリン)の供給が停止される。一方、ガソリンの供給の停止後も一定時間反応器112にはカソードオフガスが供給されており、反応器112内の残存ガソリンは反応器112内に残存した水素含有ガスと共に、カソードオフガスに押し出され、反応器112の再生側から排出される。これにより、再生反応時に反応器112の再生側から供給されるアノードオフガス等によって、残存するガソリン、カソードオフガス及び残存水素含有ガスが反応器112の改質側から排出されるのを防止することができる。   During the first period in FIG. 8, the controller 170 monitors the temperature in the reactor 112 that is performing the reforming reaction by the temperature sensor 116, and determines that the detected temperature has decreased below a predetermined temperature. First, supply of gasoline to the reactor 112 is stopped (point C in FIG. 8). By stopping the supply of gasoline, the supply of the reforming raw material (gasoline) newly added to the reactor 112 is stopped. On the other hand, the cathode off gas is supplied to the reactor 112 for a certain period of time after the supply of gasoline is stopped, and the residual gasoline in the reactor 112 is pushed out together with the hydrogen-containing gas remaining in the reactor 112 to the cathode off gas, It is discharged from the regeneration side of the reactor 112. This prevents the remaining gasoline, cathode offgas, and residual hydrogen-containing gas from being discharged from the reforming side of the reactor 112 due to anode offgas or the like supplied from the regeneration side of the reactor 112 during the regeneration reaction. it can.

次いで、制御部170は反応器112へのカソードオフガスの供給を停止すると共に(図5中、点D)、反応器112に、アノードオフガス及び燃焼エアを供給するように各バルブ及びポンプを切替える。この切替えにより、反応器112内の反応が改質反応から再生反応へと切替えられ、図8に示す第1周期から第2周期へとシフトされる。   Next, the controller 170 stops the supply of the cathode offgas to the reactor 112 (point D in FIG. 5), and switches each valve and pump so as to supply the anode offgas and combustion air to the reactor 112. By this switching, the reaction in the reactor 112 is switched from the reforming reaction to the regeneration reaction, and is shifted from the first period shown in FIG. 8 to the second period.

図8における第2周期においては、反応器112内では、反応器114内の温度が所定の温度以下になるまで再生反応(燃焼反応)が行われる。制御部170によって反応器114内の温度が所定の温度以下であると判断されると再び、反応器112内の反応を改質反応に切替えるために、各バルブが切替えられ、第2周期から第3周期へと移行し、その後この改質/再生反応の繰り返しが、第3周期、第4周期、…第n周期へと継続される。この際、改質反応を行う第3周期等においては、第1周期と同様の処理が行われ、反応器112内の残存ガソリン及び残存水素含有ガスを排出した後、次の周期へとシフトする。   In the second period in FIG. 8, the regeneration reaction (combustion reaction) is performed in the reactor 112 until the temperature in the reactor 114 becomes equal to or lower than a predetermined temperature. When the controller 170 determines that the temperature in the reactor 114 is equal to or lower than the predetermined temperature, the valves are switched again to switch the reaction in the reactor 112 to the reforming reaction. Then, the period of the reforming / regeneration reaction is continued to the third period, the fourth period,..., The nth period. At this time, in the third period in which the reforming reaction is performed, the same process as in the first period is performed, and after the residual gasoline and residual hydrogen-containing gas in the reactor 112 are discharged, the process shifts to the next period. .

次に、反応器112における改質反応から再生反応への移行制御について図9を用いて説明する。図9は、第2の実施の形態における反応器114の改質反応から再生反応への移行制御を示す流れ図である。図9において制御部170は、まず反応器112(PSR1)内で改質反応を行うために、反応器112にガソリンとカソードオフガスとを供給する(ステップS111)。制御部170は、ガソリン及びカソードオフガスを反応器112に供給しながら、改質反応が行われている反応器112内の温度を温度センサ116によってモニタリングし、反応器112内の温度T1を検出する(ステップS112)。   Next, transition control from the reforming reaction to the regeneration reaction in the reactor 112 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a flowchart showing the transition control from the reforming reaction to the regeneration reaction of the reactor 114 in the second embodiment. In FIG. 9, the controller 170 first supplies gasoline and cathode offgas to the reactor 112 in order to perform the reforming reaction in the reactor 112 (PSR1) (step S111). The controller 170 monitors the temperature in the reactor 112 in which the reforming reaction is performed while supplying gasoline and cathode off-gas to the reactor 112, and detects the temperature T1 in the reactor 112. (Step S112).

次いで制御部170は、温度センサ116によって検出した温度T1と閾値T0(例えば、約600℃)とを比較し、温度T1が閾値T0未満であるか否かを判断する(ステップS113)。制御部170が、温度T1が閾値T0以上であると判断した場合は(ステップS113否定)、引き続きステップS111に戻り、反応器112にガソリン及びカソードオフガスを供給する。   Next, the controller 170 compares the temperature T1 detected by the temperature sensor 116 with a threshold T0 (for example, about 600 ° C.), and determines whether or not the temperature T1 is less than the threshold T0 (step S113). When the controller 170 determines that the temperature T1 is equal to or higher than the threshold T0 (No at Step S113), the control unit 170 returns to Step S111 and supplies gasoline and cathode off gas to the reactor 112.

一方、制御部170が、温度T1が閾値未満であると判断した場合は(ステップS113肯定)、反応器112へのガソリンの供給を停止する(ステップS114)。制御部170は、ガソリンの供給停止後、引き続きカソードオフガスを反応器112に供給し続けており、これにより反応器112内の残存ガソリン及び残存水素含有ガスは反応器112の再生側から排出される。   On the other hand, when the controller 170 determines that the temperature T1 is less than the threshold (Yes at Step S113), the supply of gasoline to the reactor 112 is stopped (Step S114). The controller 170 continues to supply the cathode off-gas to the reactor 112 after the gasoline supply is stopped, whereby residual gasoline and residual hydrogen-containing gas in the reactor 112 are discharged from the regeneration side of the reactor 112. .

次いで、制御部170は、ガソリンの供給停止から一定時間(例えば、2秒間)経過したか否かを判断し(ステップS115)、一定時間経過していないと判断した場合にはカソードオフガスの供給を継続する(ステップS115否定)。   Next, the control unit 170 determines whether or not a certain time (for example, 2 seconds) has elapsed since the stop of gasoline supply (step S115). Continue (No at step S115).

一方、制御部170がガソリンの供給停止から一定時間経過したと判断した場合(ステップS115肯定)には、反応器112へのカソードオフガスの供給を停止し、各反応器の改質/再生反応を切替えるため各バルブを切替える(ステップS116)。   On the other hand, when the control unit 170 determines that a certain time has elapsed from the stop of gasoline supply (Yes in Step S115), the supply of the cathode offgas to the reactor 112 is stopped, and the reforming / regeneration reaction of each reactor is performed. In order to switch, each valve is switched (step S116).

次いで、制御部170は、反応器112にアノードオフガス及び燃焼エアを供給して、反応器112内の反応を再生反応に切替え、反応器112において、低下した反応器内の温度を再生反応(燃焼反応)により再生させる(ステップS117)。   Next, the controller 170 supplies anode off gas and combustion air to the reactor 112 to switch the reaction in the reactor 112 to a regeneration reaction, and the reactor 112 reduces the temperature in the reactor to a regeneration reaction (combustion). (Reaction) to regenerate (step S117).

尚、上記説明においては、反応器112における改質反応から再生反応への切替え制御のみについて説明したが、反応器114における再生反応から改質反応への切替え時にも同様の制御が行われる。   In the above description, only the switching control from the reforming reaction to the regeneration reaction in the reactor 112 has been described, but the same control is performed when the reactor 114 switches from the regeneration reaction to the reforming reaction.

以上のように、本実施の形態においては、改質反応から再生反応に切替える際に、ガソリンの供給停止をカソードオフガスの供給停止よりも先におこない、一定時間カソードオフガスのみを供給することによって、反応器内の残存ガソリンを反応器の再生側から排出することで、エミッションの低下を抑制することができる。また、これと同時に反応器112内の残存水素含有ガスを再生側から排出することで、燃料電池120において残存水素ガスを用いることができるため、改質反応により生成した水素の使用効率を向上させることができる。これにより、燃料電池システムの燃費を高めることもできる。   As described above, in the present embodiment, when switching from the reforming reaction to the regeneration reaction, the gasoline supply is stopped before the cathode offgas supply is stopped, and only the cathode offgas is supplied for a certain period of time. By discharging the residual gasoline in the reactor from the regeneration side of the reactor, it is possible to suppress a reduction in emissions. At the same time, the residual hydrogen-containing gas in the reactor 112 is discharged from the regeneration side, so that the residual hydrogen gas can be used in the fuel cell 120, thereby improving the use efficiency of the hydrogen generated by the reforming reaction. be able to. Thereby, the fuel consumption of a fuel cell system can also be improved.

尚、以上においては、改質用原料としてガソリンを使用した場合を説明したが、ガソリン以外の他の炭化水素燃料を使用した場合も同様の構成とすることができる。   In the above description, the case where gasoline is used as the reforming raw material has been described. However, the same configuration can be used when a hydrocarbon fuel other than gasoline is used.

次に、上述の第1〜2の実施の形態における燃料電池システムにおける燃料電池120に転用可能な水素分離膜型燃料電池の他の具体例について、図10〜図11を用いて説明する。なお、他の具体例についての詳細については特開2004−146337号公報の記載を参照することができる。   Next, another specific example of the hydrogen separation membrane fuel cell that can be diverted to the fuel cell 120 in the fuel cell system according to the first and second embodiments will be described with reference to FIGS. For details about other specific examples, reference can be made to the description in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-146337.

図10は、バナジウム(V)で形成された緻密な基材212を含む5層構造の電解質膜202と、電解質膜202を狭持する酸素極(O2極)204及び水素極(H2極)206とで構成され、金属拡散抑制層及び反応抑制層を備えた水素分離膜型燃料電池200を示したものである。電解質膜202は、基材212の水素極(アノード)206側の面に該面側から順に緻密体の金属拡散抑制層214とパラジウム(Pd)層216とを備える。また、基材212の酸素極(カソード)204側の面に該面側から順に緻密体の反応抑制層(例えばプロトン伝導体や混合伝導体、絶縁体の層)210と、固体酸化物からなる薄膜の電解質層(例えばペロブスカイトの1つである金属酸化物SrCeO3膜など)208とを備えている。反応抑制層210は、電解質層208中の酸素原子と基材(V)212との反応を抑制する機能を担うものである。なお、酸素極204又は水素極206と電解質膜202との間には上記同様に、各々エア流路180、燃料流路182が形成されている。金属拡散抑制層及び反応抑制層の詳細については既述の通りである。 FIG. 10 shows an electrolyte membrane 202 having a five-layer structure including a dense substrate 212 formed of vanadium (V), an oxygen electrode (O 2 electrode) 204 and a hydrogen electrode (H 2 electrode) sandwiching the electrolyte membrane 202. ) 206, and shows a hydrogen separation membrane fuel cell 200 having a metal diffusion suppression layer and a reaction suppression layer. The electrolyte membrane 202 includes a dense metal diffusion suppression layer 214 and a palladium (Pd) layer 216 in order from the surface side on the surface of the base 212 on the hydrogen electrode (anode) 206 side. Further, a dense reaction suppression layer (for example, a proton conductor, a mixed conductor, or an insulator layer) 210 and a solid oxide are formed on the oxygen electrode (cathode) 204 side surface of the base material 212 in this order from the surface side. A thin electrolyte layer (for example, a metal oxide SrCeO 3 film which is one of perovskites) 208. The reaction suppression layer 210 has a function of suppressing the reaction between oxygen atoms in the electrolyte layer 208 and the base material (V) 212. Note that an air flow path 180 and a fuel flow path 182 are formed between the oxygen electrode 204 or the hydrogen electrode 206 and the electrolyte membrane 202 in the same manner as described above. Details of the metal diffusion suppression layer and the reaction suppression layer are as described above.

図11は、水素透過性金属を用いた緻密な水素透過膜を有する電解質膜302と、電解質膜302を狭持する酸素極(O2極)304及び水素極(H2極)306とで構成された固体高分子型の水素分離膜型燃料電池300を示したものである。電解質膜302は、例えば、ナフィオン(登録商標)膜などの固体高分子膜からなる電解質膜312の両側の面を、水素透過性の緻密な金属膜で挟んだ多層構造となっており、電解質膜312の水素極(アノード)306側の面にパラジウム(Pd)層(緻密膜)314を備え、電解質膜312の酸素極(カソード)304側の面に該面側から順に、基材となるバナジウム−ニッケル合金(V−Ni)層(緻密膜)310とPd層(緻密膜)308とを備えている。なお、酸素極304又は水素極306と電解質膜302との間には上記同様に、各々エア流路180、燃料流路182が形成されている。燃料電池120においてもまた、V−Ni層310とPd層308との間には金属拡散抑制層を設けることができ、V−Ni層310又はPd層314と電解質膜312との間には反応抑制層を設けることができる。 FIG. 11 includes an electrolyte membrane 302 having a dense hydrogen permeable membrane using a hydrogen permeable metal, and an oxygen electrode (O 2 electrode) 304 and a hydrogen electrode (H 2 electrode) 306 that sandwich the electrolyte membrane 302. The solid polymer type hydrogen separation membrane fuel cell 300 is shown. The electrolyte membrane 302 has a multilayer structure in which, for example, both surfaces of an electrolyte membrane 312 made of a solid polymer membrane such as a Nafion (registered trademark) membrane are sandwiched between hydrogen-permeable dense metal membranes. A palladium (Pd) layer (dense film) 314 is provided on the surface of the hydrogen electrode (anode) 306 side of 312, and the vanadium serving as a base material in order from the surface side of the surface of the electrolyte membrane 312 on the oxygen electrode (cathode) 304 side. -A nickel alloy (V-Ni) layer (dense film) 310 and a Pd layer (dense film) 308 are provided. Note that an air channel 180 and a fuel channel 182 are formed between the oxygen electrode 304 or the hydrogen electrode 306 and the electrolyte membrane 302 in the same manner as described above. Also in the fuel cell 120, a metal diffusion suppression layer can be provided between the V-Ni layer 310 and the Pd layer 308, and a reaction occurs between the V-Ni layer 310 or the Pd layer 314 and the electrolyte membrane 312. A suppression layer can be provided.

図11に示す固体高分子型の燃料電池では、含水電解質膜を挟むようにして水素透過性金属を用いた水素透過膜が形成された構成とすることにより、高温での電解質膜の水分蒸発及び膜抵抗増大の抑制が可能で、一般に低温型の固体高分子型燃料電池(PEFC)の作動温度を300〜600℃の温度域に向上させることができる。これにより、燃料電池から排出されたカソードオフガスを直接、改質反応させるPSR型改質器に供給する本発明の燃料電池システムの構成に好適である。   In the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 11, by forming a hydrogen permeable membrane using a hydrogen permeable metal so as to sandwich the hydrous electrolyte membrane, moisture evaporation and membrane resistance of the electrolyte membrane at a high temperature are achieved. It is possible to suppress the increase, and in general, the operating temperature of a low-temperature polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be improved to a temperature range of 300 to 600 ° C. This is suitable for the configuration of the fuel cell system of the present invention in which the cathode off-gas discharged from the fuel cell is directly supplied to the PSR reformer that undergoes the reforming reaction.

第1の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the fuel cell system of 1st Embodiment. 反応器の構成を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the structure of a reactor. 第1の実施の形態における燃料電池を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the fuel cell in 1st Embodiment. バルブ制御を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating valve control. 第1の実施の形態におけるアノードオフガス、燃焼エア、ガソリン及びカソードオフガスの供給タイミング及び供給量の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship of the supply timing and supply amount of anode off gas, combustion air, gasoline, and cathode off gas in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における反応器112の改質反応から再生反応への移行制御を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the transition control from the reforming reaction of the reactor 112 in 1st Embodiment to regeneration reaction. 第2の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the fuel cell system in 2nd Embodiment. 第2の実施の形態におけるアノードオフガス、水蒸気、ガソリン及びカソードオフガスの供給タイミング及び供給量の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship of the supply timing and supply amount of anode off gas, water vapor | steam, gasoline, and cathode off gas in 2nd Embodiment. 第2の実施の形態における反応器112の改質反応から再生反応への移行制御を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the transition control from the reforming reaction of the reactor 112 in 2nd Embodiment to regeneration reaction. 本発明における燃料電池の他の例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the other example of the fuel cell in this invention. 本発明における燃料電池の他の例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the other example of the fuel cell in this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100,102 燃料電池システム
110 水素生成装置
112,114 反応器
120,200,300 燃料電池
170 制御部
184,212 基材
186,188,216,314,308,314 パラジウム(Pd)層
190,208,302 電解質層
310 バナジウム−ニッケル合金(V−Ni)層
P1〜P4 ポンプ
V1〜V10 バルブ
SV1〜SV8 三方バルブ
100, 102 Fuel cell system 110 Hydrogen generator 112, 114 Reactor 120, 200, 300 Fuel cell 170 Controller 184, 212 Base material 186, 188, 216, 314, 308, 314 Palladium (Pd) layer 190, 208, 302 Electrolyte layer 310 Vanadium-nickel alloy (V-Ni) layer P1-P4 Pump V1-V10 Valve SV1-SV8 Three-way valve

Claims (6)

触媒を備え、改質用原料及び改質用ガスが供給されたときには加熱された前記触媒上で前記改質用原料及び改質用ガスの改質反応によって水素含有ガスを生成し、発熱用原料が供給されたときには前記発熱用原料の発熱反応によって前記触媒を加熱し、前記改質反応と前記発熱反応とが切り替え可能な改質反応器と、
前記改質反応器へ供給される流体及び前記改質反応器から排出される流体の各流路を切り替えるための切替手段と、
前記改質反応器の改質反応と発熱反応とが交互に行われるように、前記改質反応器に供給される流体及び前記改質反応器から排出される流体を前記切替手段によって切り替え、且つ、前記改質反応器を改質反応から発熱反応に切替える際に、前記改質反応器中に残存する改質用原料及び/又は改質用ガスの少なくとも一部を改質反応時に前記水素含有ガスが排出される側から排出した後に前記改質反応器を前記改質反応から前記発熱反応に切り替える制御手段と、
を備えた水素生成装置。
When a reforming raw material and a reforming gas are supplied, a hydrogen-containing gas is generated by a reforming reaction of the reforming raw material and the reforming gas on the heated catalyst, and a heat generating raw material is provided. A reforming reactor that heats the catalyst by an exothermic reaction of the exothermic raw material and can switch between the reforming reaction and the exothermic reaction;
Switching means for switching each flow path of the fluid supplied to the reforming reactor and the fluid discharged from the reforming reactor;
The switching means switches the fluid supplied to the reforming reactor and the fluid discharged from the reforming reactor so that the reforming reaction and the exothermic reaction of the reforming reactor are alternately performed, and When the reforming reactor is switched from the reforming reaction to the exothermic reaction, at least part of the reforming raw material and / or reforming gas remaining in the reforming reactor contains the hydrogen during the reforming reaction. Control means for switching the reforming reactor from the reforming reaction to the exothermic reaction after exhausting from the gas exhaust side;
A hydrogen generation apparatus comprising:
前記制御手段は、前記改質反応器を改質反応から発熱反応に切替える際に、前記改質用原料の供給を停止すると共に、前記改質反応器にパージガスを供給し、前記パージガスによって前記改質反応器中に残存する改質用原料及び/又は改質用ガスの少なくとも一部を排出する請求項1に記載の水素生成装置。   The control means, when switching the reforming reactor from a reforming reaction to an exothermic reaction, stops supplying the reforming raw material, supplies a purge gas to the reforming reactor, and uses the purge gas to improve the reforming reactor. The hydrogen generator according to claim 1, wherein at least part of the reforming raw material and / or reforming gas remaining in the quality reactor is discharged. 前記制御手段は、前記改質反応器を改質反応から発熱反応に切替える際に、前記改質反応器への前記改質用ガスの供給を維持しつつ、前記改質用原料の前記改質反応器への供給を停止することで、前記改質反応器中に残存する改質用原料及び/又は改質用ガスの少なくとも一部を前記改質反応器から排出する請求項1に記載の水素生成装置。   The control means maintains the supply of the reforming gas to the reforming reactor when the reforming reactor is switched from a reforming reaction to an exothermic reaction, while the reforming raw material is reformed. The at least part of the reforming raw material and / or reforming gas remaining in the reforming reactor is discharged from the reforming reactor by stopping the supply to the reactor. Hydrogen generator. 前記改質反応器を少なくとも一対備え、前記制御手段は、前記一対の改質反応器の改質反応及び発熱反応をそれぞれ交互に切替えて、一方の前記改質反応器が改質反応を行うと共に他方の前記改質反応器が発熱反応をおこなうようにした請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素生成装置。   At least a pair of the reforming reactors are provided, and the control unit alternately switches between the reforming reaction and the exothermic reaction of the pair of reforming reactors, and one of the reforming reactors performs the reforming reaction. The hydrogen generator according to claim 1, wherein the other reforming reactor performs an exothermic reaction. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の水素生成装置と、
前記改質反応器で改質生成された水素含有ガスの供給により発電する燃料電池と、
を備えた燃料電池システム。
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 4,
A fuel cell that generates electricity by supplying a hydrogen-containing gas reformed and produced in the reforming reactor;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池は、水素透過性金属層と、前記水素透過性金属層の少なくとも片側に配置された電解質層と、を備えた請求項5に記載の燃料電池システム。   6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the fuel cell includes a hydrogen permeable metal layer and an electrolyte layer disposed on at least one side of the hydrogen permeable metal layer.
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