JP2006282469A - Hydrogen production apparatus and fuel cell system - Google Patents

Hydrogen production apparatus and fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2006282469A
JP2006282469A JP2005106333A JP2005106333A JP2006282469A JP 2006282469 A JP2006282469 A JP 2006282469A JP 2005106333 A JP2005106333 A JP 2005106333A JP 2005106333 A JP2005106333 A JP 2005106333A JP 2006282469 A JP2006282469 A JP 2006282469A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
reforming
reaction
hydrogen
catalyst
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2005106333A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takatoshi Masui
孝年 増井
Naoki Ito
直樹 伊藤
Daigoro Mori
大五郎 森
Keisuke Nagasaka
圭介 永坂
Satoru Iguchi
哲 井口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2005106333A priority Critical patent/JP2006282469A/en
Publication of JP2006282469A publication Critical patent/JP2006282469A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To secure high durability performance of a hydrogen production apparatus which can perform reforming production of hydrogen with high efficiency for a long period of time by avoiding the deterioration of the catalyst accompanying the switching from a reforming reaction to a regenerating reaction. <P>SOLUTION: When switching from a reforming reaction to a combustion reaction, air-fuel ratio during the combustion reaction is set to be leaner than the theory air-fuel ratio by reducing the supply amounts of a fuel gasoline and an anode off-gas supplied by injection devices 23, 24 than the target amounts. <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およ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をかせげないため水素充填量が少なく、また、液体水素とする液化充填による場合は、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。また、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、水素の吸蔵/吸着等の制御も困難である。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が、改質反応は吸熱的であるために別途熱源が必要であり、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ず、また、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。   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, the volume of hydrogen is small because the container wall thickness is thick and large, but in the case of liquefied filling with liquid hydrogen, vaporization loss is unavoidable and it is very difficult to liquefy. Requires energy. 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. In addition, when the raw fuel is installed, there is a method of obtaining hydrogen by steam reforming the fuel, but since the reforming reaction is endothermic, a separate heat source is required, and an electric heater or the like was used as the heat source. The system cannot improve the overall energy efficiency, and it is inevitable that the amount of hydrogen can be secured stably 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期待されている。   The actual hydrogen supply method has not yet been technically established, but it is expected that a hydrogen supply method will be established in light of the anticipated increase in hydrogen utilization in various devices in the future. ing.

上記に関連する技術として、触媒を用いて所定条件が成立したときに、吸熱反応である燃料の水蒸気改質反応と水蒸気改質反応で低下した触媒温度を再生する再生反応とを切替えて行なうことができる燃料改質装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   As a technology related to the above, when a predetermined condition is established using a catalyst, the steam reforming reaction of the fuel that is an endothermic reaction and the regeneration reaction that regenerates the catalyst temperature decreased by the steam reforming reaction are switched. A fuel reformer that can perform the above has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

この燃料改質装置では、二つの触媒を一組とし、一方の触媒で改質反応させるときには他方の触媒で再生反応させ、この両反応を交互に切替えることで改質性能を維持し得るようにしてあり、特に硫黄分が完全除去されていない液体燃料等の改質に好適とされている。つまり、再生反応により、燃料の水蒸気改質で低下した触媒温度を再生すると共に、触媒に付着した被毒物質を燃焼排除している。   In this fuel reformer, two catalysts are combined into one set, and when one catalyst undergoes a reforming reaction, the other catalyst undergoes a regenerative reaction, and these two reactions are alternately switched so that the reforming performance can be maintained. In particular, it is suitable for reforming liquid fuel or the like from which sulfur content is not completely removed. That is, by the regeneration reaction, the catalyst temperature lowered by the steam reforming of the fuel is regenerated, and poisoning substances adhering to the catalyst are burned out.

これに関連する技術として、上記以外に開示されているものもある(例えば、特許文献2〜4参照)。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に関する開示がある(例えば、特許文献5参照)。
米国特許2003−235529号明細書 米国特許2004−170558号明細書 米国特許2004−170559号明細書 米国特許2004−175326号明細書 特開2004−146337号公報
There are some technologies related to this that are disclosed in addition to the above (for example, see Patent Documents 2 to 4). Further, as an example of a fuel cell that performs a power generation operation in a high temperature region, there is a disclosure relating to a fuel cell using a hydrogen permeable material (see, for example, Patent Document 5).
US 2003-235529 U.S. Patent No. 2004-170558 US Patent No. 2004-170559 U.S. Patent No. 2004-175326 JP 2004-146337 A

ところが、前記燃料改質装置における再生反応は、燃料の酸素による燃焼、すなわち酸化反応により行なっており、この燃焼反応の燃焼温度は一般に、燃料/酸素量の比(空燃比)を理論空燃比近傍にして行なわせた燃焼時に最も高くなり、温度上昇も急激となる。   However, the regeneration reaction in the fuel reformer is performed by combustion of fuel with oxygen, that is, an oxidation reaction. The combustion temperature of this combustion reaction is generally determined by setting the fuel / oxygen amount ratio (air-fuel ratio) in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio. It becomes the highest during combustion and the temperature rises rapidly.

したがって、触媒温度を再生させる際に、理論空燃比との関係で燃焼反応が高温になりすぎてしまうと、触媒自体の劣化を招来する等、触媒反応器の性能低下を引き起こす温度にまで達し、耐久性能を長期間堅持することは難しい。   Therefore, when regenerating the catalyst temperature, if the combustion reaction becomes too high in relation to the stoichiometric air-fuel ratio, it will reach a temperature that causes a deterioration in the performance of the catalyst reactor, such as causing deterioration of the catalyst itself, It is difficult to maintain durability for a long time.

このときの温度上昇勾配は、触媒温度検出用の温度検出器の応答性を上回るため、温度検出器が設けられた装置でも、温度が異常であると判定し制御手段が必要な措置を講じるときには既に、触媒が改質機能を喪失する温度を超えている場合が多い。   Since the temperature rise gradient at this time exceeds the responsiveness of the temperature detector for detecting the catalyst temperature, even in the apparatus provided with the temperature detector, when the temperature is determined to be abnormal and the control means takes necessary measures In many cases, the temperature at which the catalyst loses the reforming function is already exceeded.

かかる場合、温度の急激な上昇を回避するため、理論空燃比より希薄な混合比となるように酸素の流量を調整する方法も考えられるが、特に液状燃料を燃焼させる再生反応では、燃料流量がエア流量よりも少なく、さらに燃料容積はエア容積に比べて小さいため、液状燃料はエアより供給レスポンスに優れる反面、分散性に劣る。したがって、改質反応から再生反応への切替え時には、燃料が先行しエアが遅れて到達することで理論空燃比が成立し、また、燃料が少量であるにも関わらず分散不良を来たすことによる燃料の局部集中とエアの良好な分散とに起因して理論空燃比が成立する。その後、理論空燃比を超えてから所定比に調節されることから触媒温度の異常昇温を生じやすく、この異常昇温により触媒は改質機能を損なう。   In such a case, in order to avoid a sudden rise in temperature, a method of adjusting the flow rate of oxygen so that the mixture ratio becomes leaner than the stoichiometric air-fuel ratio may be considered. Since the fuel flow is smaller than the air flow rate and the fuel volume is smaller than the air volume, the liquid fuel is superior in supply response to air but is inferior in dispersibility. Therefore, at the time of switching from the reforming reaction to the regeneration reaction, the theoretical air-fuel ratio is established because the fuel precedes and the air arrives late, and the fuel due to poor dispersion despite the small amount of fuel. The stoichiometric air-fuel ratio is established due to the local concentration of air and the good dispersion of air. Thereafter, the catalyst temperature is likely to be abnormally increased because the theoretical air-fuel ratio is adjusted to a predetermined ratio after exceeding the theoretical air-fuel ratio, and the catalyst impairs the reforming function due to this abnormal temperature increase.

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、改質反応から再生反応への切替え時における急激な温度上昇に伴なう触媒劣化を回避し、水素の改質生成を長期にわたって高効率に行ない得る水素生成装置および、高耐久性で発電性能を安定的に発揮し得る燃料電池システムを提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above, and avoids catalyst deterioration associated with a rapid temperature rise at the time of switching from a reforming reaction to a regeneration reaction, and performs reforming of hydrogen with high efficiency over a long period of time. It is an object of the present invention to provide a hydrogen generator that can be obtained and a fuel cell system that can stably exhibit power generation performance with high durability.

本発明は、吸熱反応である燃料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て触媒の改質反応性を再生するための発熱反応(以下、「再生反応」ともいう。)とを切替えて行なう場合、特に改質反応から再生反応に切替えた場合の急激な温度上昇を抑えるには、切替え時の混合比を理論空燃比よりも希薄(リーン)にするのが一つの方法であるが、酸素量を増やしてリーンにするよりも燃料量を減じてリーンにすることが総合的な熱効率を考慮するとより有効であるとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。なお、本発明における発熱反応には、燃焼反応等が含まれる。   The present invention relates to a steam reforming reaction of fuel, which is an endothermic reaction, and an exothermic reaction (hereinafter referred to as “regeneration reaction”) for regenerating the reforming reactivity of the catalyst by recovering the catalyst temperature lowered by the steam reforming reaction. In order to suppress a rapid temperature rise particularly when switching from the reforming reaction to the regeneration reaction, the mixing ratio at the time of switching should be made leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Although it is one method, we obtained knowledge that it is more effective to reduce the fuel amount and make lean than to make it leaner by increasing the oxygen amount, considering the overall thermal efficiency, and achieved based on such knowledge It has been done. The exothermic reaction in the present invention 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、燃料と水蒸気とを含む改質用原料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を改質反応させ、発熱用燃料が供給されたときには該発熱用燃料を発熱反応させて前記触媒を加熱するように、前記改質反応と前記発熱反応とを切替えて行なう少なくとも1基の改質反応器と、前記改質反応器に発熱用燃料を供給する燃料供給手段と、改質反応から発熱反応に切替える際に、発熱反応時の空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように、前記燃料供給手段からの発熱用燃料の供給量を所定の目標量よりも少なくする燃焼制御手段と、で構成したものである。   In order to achieve the above object, a hydrogen generator according to a first aspect of the present invention comprises a catalyst, and when the reforming raw material containing fuel and water vapor is supplied, the reforming raw material is heated on the catalyst. At least one reforming performed by switching between the reforming reaction and the exothermic reaction so that when the exothermic fuel is supplied, the exothermic fuel is reacted exothermically to heat the catalyst. Reactor, fuel supply means for supplying exothermic fuel to the reforming reactor, and when switching from reforming reaction to exothermic reaction, so that the air-fuel ratio at the time of exothermic reaction is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, Combustion control means for reducing the amount of heat-generating fuel supplied from the fuel supply means to be less than a predetermined target amount.

本発明の水素生成装置には、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(すなわち触媒温度)を回復させる再生反応とを切替えて行なうことができる少なくとも1基の改質反応器(以下、「PSR(Pressure swing reforming)型改質器」ともいう。)が設けられている。そして、2基以上のPSR型改質器が設けられた構成の場合は、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が行なわれる(以下、PSR型改質器を2基以上設けてなる水素生成装置を「PSR改質装置」ともいう。)。   In the hydrogen generator of the present invention, at least one modification that can be performed by switching between a reforming reaction of fuel using heat storage and a regeneration reaction that recovers the heat storage amount (that is, the catalyst temperature) decreased by the reforming reaction. A quality reactor (hereinafter also referred to as “PSR (Pressure swing reforming type reformer)”) is provided. In the case of a configuration in which two or more PSR reformers are provided, at least one of them performs a fuel reforming reaction, and at least one of them performs a regeneration reaction (hereinafter referred to as a PSR reformer). A hydrogen generation device provided with two or more quality devices is also referred to as a “PSR reformer”.)

本発明に係る改質反応には、下記の吸熱反応である水蒸気改質反応と発熱反応である部分酸化反応とが含まれる。
n2n+2+nH2O → (2n+1)H2+nCO …(1)
n2n+2+(n/2)O2 → (n+1)H2+nCO …(2)
The reforming reaction according to the present invention includes the following steam reforming reaction which is an endothermic reaction and partial oxidation reaction which is an exothermic reaction.
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)

例えば水素生成装置を構成する改質反応器が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水蒸気改質反応(主に前記(1)の反応)をさせると共に、他方では発熱反応である再生反応を行なわせるようにし、前記一方の蓄熱量が水蒸気改質反応により低下したときには前記一方を再生反応に切替えると共に、前記他方を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改質反応に切替える。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 constituting the hydrogen generator, one of them performs a steam reforming reaction (mainly the reaction of (1) above) which is an endothermic reaction using heat storage in the reactor, On the other hand, a regeneration reaction, which is an exothermic reaction, is performed. When the amount of heat stored in one side decreases due to a steam reforming reaction, the one is switched to a regeneration reaction, and the other is fuel-modified with heat stored by the regeneration reaction. Switch to reforming reaction to perform quality. This eliminates the need for a separate heater and enables continuous hydrogen generation with high use efficiency of heat energy.

第1の発明においては、改質反応から発熱反応に切替える際、発熱用燃料を燃焼させるための酸素含有ガスの供給量を増やすのではなく、発熱用燃料の供給量を減らして所定の目標量よりも少なくすることによって、発熱反応時の空燃比を理論空燃比よりもリーンの状態にするので、多量に供給されることで酸素含有ガスにより受ける触媒の冷却を伴なわずに、触媒の全体または局部的な異常昇温を効果的に回避することができる。これにより、熱の利用効率を保持しつつ、触媒劣化による改質機能の低下が効果的に抑えられ、耐久性能を向上させることができる。   In the first invention, when switching from the reforming reaction to the exothermic reaction, instead of increasing the supply amount of the oxygen-containing gas for combusting the exothermic fuel, the supply amount of the exothermic fuel is decreased to a predetermined target amount. The air-fuel ratio at the time of the exothermic reaction is made leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, so that the entire catalyst can be supplied without being cooled by the oxygen-containing gas when supplied in a large amount. Alternatively, local abnormal temperature rise can be effectively avoided. As a result, the reduction of the reforming function due to catalyst deterioration can be effectively suppressed while maintaining the heat utilization efficiency, and the durability performance can be improved.

第1の発明には、改質反応器として、改質反応と発熱反応とを交互に切替えて行なう少なくとも一対の改質反応器を設けて構成することができる。この一対の改質反応器は、二つの改質反応器が対をなしてなり、一方で改質反応を、他方で発熱反応を行なうと共に、切替えにより前記一方で発熱反応を、前記他方で改質反応を行なえるようにした場合に、既述した触媒の異常昇温が各々の改質反応器で起きるのを防止しつつ、熱エネルギーの利用効率の高い連続的な水素生成を行なうことができる。また、改質反応で低下した触媒温度を再生するための別途の加熱器等が不要なほか、改質反応後に切替えた発熱反応によって改質反応時に被毒された触媒上の被毒成分の燃焼除去も可能である。   In the first invention, as the reforming reactor, at least a pair of reforming reactors can be provided which are alternately switched between the reforming reaction and the exothermic reaction. In this pair of reforming reactors, two reforming reactors are paired. On the one hand, the reforming reaction is performed, and on the other hand, the exothermic reaction is performed. In the case where it is possible to perform a quality reaction, it is possible to perform continuous hydrogen generation with high utilization efficiency of heat energy while preventing the above-described abnormal temperature rise of the catalyst from occurring in each reforming reactor. it can. In addition, there is no need for a separate heater to regenerate the catalyst temperature lowered by the reforming reaction, and the combustion of poisonous components on the catalyst poisoned during the reforming reaction by the exothermic reaction switched after the reforming reaction. Removal is also possible.

また、各改質反応器における改質反応と発熱反応との切替えは、改質反応器への改質用原料の供給流路および発熱用燃料の供給流路を切替える切替手段を更に設けて行なうようにすることができる。この切替手段を前記燃焼制御手段と電気的に接続することで、各供給流路を自動的に切替えることができる。   Further, the switching between the reforming reaction and the exothermic reaction in each reforming reactor is performed by further providing switching means for switching the reforming material supply channel and the exothermic fuel supply channel to the reforming reactor. Can be. By electrically connecting the switching means to the combustion control means, each supply flow path can be automatically switched.

この切替手段は、改質用原料を構成する燃料が少なくとも通過する流路と発熱用燃料が通過する流路とを有し、一対の改質反応器の各々と繋がる供給流路を選択的に切替える流路切替部材を設けて構成することができる。この流路切替部材が例えば移動可能に構成されることで、対をなす二つの改質反応器での改質反応および再生反応の相互の切替えを単一の切替手段(例えばアクチュエーター)を用いて同時に行なうことができるので、切替誤動作を回避し、同期性が保証される。その結果、酸素量の少ない段階で発熱用燃料の燃焼が開始されたり、改質効率が低下するのを防止することができる。   This switching means has a flow path through which at least the fuel constituting the reforming raw material passes and a flow path through which the heat generating fuel passes, and selectively selects a supply flow path connected to each of the pair of reforming reactors. A flow path switching member for switching can be provided. Since the flow path switching member is configured to be movable, for example, a single switching means (for example, an actuator) can be used to switch between the reforming reaction and the regeneration reaction in the two reforming reactors in a pair. Since they can be performed at the same time, switching malfunctions are avoided and synchronization is assured. As a result, it is possible to prevent combustion of the heat generating fuel from being started at a stage where the amount of oxygen is small or a reduction in reforming efficiency.

第1の発明は、発熱用燃料を燃焼させるための酸素含有ガスを改質反応器に供給する酸素供給手段を更に設けて構成することができ、この酸素供給手段を燃料供給手段と共に同一の改質反応器に設ける場合に、改質反応器内の少なくとも一部の領域で発熱反応時に供給された発熱用燃料と酸素含有ガスとが混合するのを抑制する隔壁を器内に配設することが効果的である。   According to the first aspect of the present invention, an oxygen supply means for supplying an oxygen-containing gas for burning the exothermic fuel to the reforming reactor can be further provided. In the case where it is provided in the quality reactor, a partition that suppresses the mixing of the exothermic fuel and the oxygen-containing gas supplied during the exothermic reaction in at least a part of the reforming reactor is provided in the reactor. Is effective.

上記のように触媒の全体または局部的な異常昇温を回避すると共に、第1の発明において、改質反応器の器内に隔壁を配設し、隔壁で隔てられた領域の一方の側に燃料供給手段を設けて発熱用燃料を供給し、他方の側に酸素供給手段を設けて酸素含有ガスを供給するようにすることで、器内(例えば内壁面)に担持して備えられた触媒の担持部中央付近に到達するまで発熱用燃料と酸素含有ガスとの接触が制限されるので、再生反応時に生じやすい逆火を防止できると共に、発熱用燃料および酸素含有ガスの供給側であって改質反応時は改質生成された水素含有ガスの排出側となる器内を、発熱用燃料および酸素含有ガスの双方で冷却できるので、改質反応時に改質生成された水素含有ガスを低温にして排出できる。   As described above, the entire catalyst or a local abnormal temperature rise is avoided, and in the first invention, a partition wall is disposed in the reforming reactor, and is disposed on one side of the region separated by the partition wall. A catalyst provided to be supported in the chamber (for example, the inner wall surface) by providing fuel supply means to supply heat-generating fuel and providing oxygen supply means on the other side to supply oxygen-containing gas Since the contact between the exothermic fuel and the oxygen-containing gas is limited until it reaches the vicinity of the center of the supporting portion, the backfire that tends to occur during the regeneration reaction can be prevented and the exothermic fuel and oxygen-containing gas supply side can be prevented. During the reforming reaction, the inside of the vessel on the discharge side of the reformed hydrogen-containing gas can be cooled with both the heat-generating fuel and the oxygen-containing gas, so the hydrogen-containing gas reformed and generated during the reforming reaction can be cooled at a low temperature. Can be discharged.

また、酸素供給手段を燃料供給手段と共に同一の改質反応器に設ける場合には、発熱反応時において、改質反応器の一端から発熱用燃料を供給すると共に、他端から酸素含有ガスを前記発熱用燃料とは略逆向きに供給するように構成することができる。   Further, when the oxygen supply means and the fuel supply means are provided in the same reforming reactor, during the exothermic reaction, the exothermic fuel is supplied from one end of the reforming reactor and the oxygen-containing gas is supplied from the other end. It can be configured to be supplied in a direction substantially opposite to that of the heat generating fuel.

第1の発明では、既述のように触媒の全体または局部的な異常昇温を回避すると共に、更にかかる構成を採用することで、供給された発熱用燃料と酸素含有ガスとは器内(例えば内壁面)に担持して備えられた触媒の担持部中央付近で接触させることができ、再生反応時に生じやすい逆火の防止に有効であると共に、触媒担持部に燃焼熱を集中(すなわち担持部中央が最も高温となる山型温度分布)させ得るので、再生反応時間の短縮、改質反応性の向上に効果的である。   In the first invention, as described above, the entire catalyst or a local abnormal temperature rise is avoided, and further, by adopting such a configuration, the supplied exothermic fuel and oxygen-containing gas are contained in the chamber ( For example, it can be contacted near the center of the catalyst supporting part supported on the inner wall, which is effective for preventing flashback that tends to occur during the regeneration reaction, and concentrates the combustion heat on the catalyst supporting part. Therefore, it is effective for shortening the regeneration reaction time and improving the reforming reactivity.

第1の発明を構成する改質反応器の触媒が担持された触媒担持部には、電気加熱器を更に配設することができる。本発明においては、既述のように改質反応から発熱反応に切替える際に、発熱用燃料の供給量を所定の目標量よりも少なくして発熱反応時の空燃比がリーンとなる状態を形成する結果、着火性が低下するおそれが生ずるため、補助的に触媒担持部に電気ヒータや電気加熱型触媒(EHC:Electrical heated catalyst)等の電気加熱器を設け、必要に応じて加熱可能なように構成することにより、リーン時の着火性を補助し、発熱反応性を確保することができる。   An electric heater can be further provided in the catalyst supporting portion where the catalyst of the reforming reactor constituting the first invention is supported. In the present invention, as described above, when switching from the reforming reaction to the exothermic reaction, the supply amount of the exothermic fuel is made smaller than a predetermined target amount so that the air-fuel ratio at the exothermic reaction becomes lean. As a result, the ignitability may be lowered. Therefore, an auxiliary electric heater such as an electric heater or an electric heating catalyst (EHC) is provided in the catalyst supporting part so that it can be heated as necessary. By constituting in this way, it is possible to assist the ignitability at the time of lean and ensure the exothermic reactivity.

第1の発明を構成する燃焼制御手段は、切替え時の空燃比(燃料/酸素量)をリーン(希薄)にする場合において、燃料供給手段により供給される発熱用燃料の濃度を変えるようにすることで、発熱反応時の空燃比がリーンになるようにすることができる。   The combustion control means constituting the first invention changes the concentration of the heat generating fuel supplied by the fuel supply means when the air-fuel ratio (fuel / oxygen amount) at the time of switching is made lean. Thus, the air-fuel ratio at the time of the exothermic reaction can be made lean.

また、切替え時の空燃比(燃料/酸素量)をリーン(希薄)にする場合、改質反応器に複数の燃料供給手段を設け、発熱用燃料を改質反応器に複数の部位から供給することも効果的である。器内に担持して設けられた触媒上に燃料を分散させて供給することができるので、燃料が少量であるにも関わらず分散不良を来たすことで触媒担持部に局所的に燃料が存在することに起因する理論空燃比の成立を回避し、触媒温度の異常昇温による触媒機能の低下を効果的に防止することができる。   Further, when the air-fuel ratio (fuel / oxygen amount) at the time of switching is made lean, a plurality of fuel supply means are provided in the reforming reactor, and fuel for heat generation is supplied to the reforming reactor from a plurality of parts. It is also effective. Since the fuel can be distributed and supplied onto the catalyst provided in the vessel, the fuel is locally present in the catalyst carrier due to poor dispersion despite the small amount of fuel. Therefore, the establishment of the stoichiometric air-fuel ratio can be avoided, and the catalyst function can be effectively prevented from being lowered due to an abnormal temperature rise of the catalyst temperature.

改質反応器に複数の燃料供給手段を設ける場合、発熱反応時に改質反応器内を挿通する雰囲気、つまり供給された発熱用燃料および再生反応により燃焼生成された燃焼ガスの挿通方向に向かって順次配設するようにすることができる。単一の燃料供給手段を設けて供給を行なうと器内温度が不均一になりやすいが、器内を挿通する雰囲気の挿通方向に沿って任意もしくは所定の間隔を有して燃料供給手段を複数設けるようにすることで、理論空燃比を外しながら触媒温度分布を均一にすることができるので、より少量の燃料で発熱反応による触媒温度の再生時間を短縮化することができる。   When a plurality of fuel supply means are provided in the reforming reactor, the atmosphere passing through the reforming reactor during the exothermic reaction, that is, toward the inserting direction of the supplied exothermic fuel and the combustion gas generated by the regeneration reaction It can be arranged sequentially. If supply is performed with a single fuel supply means, the temperature in the chamber tends to be non-uniform, but there are a plurality of fuel supply means at arbitrary or predetermined intervals along the insertion direction of the atmosphere passing through the chamber. By providing, the catalyst temperature distribution can be made uniform while removing the theoretical air-fuel ratio, so that the regeneration time of the catalyst temperature by the exothermic reaction can be shortened with a smaller amount of fuel.

このとき、燃焼制御手段は、改質反応から発熱反応への切替え時には複数の燃料供給手段から発熱用燃料の供給を行なうと共に、切替え後、該切替えから所定時間が経過したと判定されたとき、あるいは切替え後、改質反応器の所定部位が所定温度に到達したと判定されたときには、複数の燃料供給手段の一部から発熱用燃料の供給を行なうようにすることができる。これにより、少量の燃料を分散供給する場合に、発熱反応による触媒再生に要する時間延伸を回避したり、一部の燃料供給手段から集中的に供給を行なって触媒被毒成分の燃焼除去を行なうのに有効である。   At this time, the combustion control means supplies the fuel for heat generation from the plurality of fuel supply means at the time of switching from the reforming reaction to the exothermic reaction, and when it is determined that a predetermined time has elapsed from the switching after the switching, Alternatively, after the switching, when it is determined that the predetermined part of the reforming reactor has reached the predetermined temperature, the exothermic fuel can be supplied from some of the plurality of fuel supply means. As a result, when a small amount of fuel is dispersedly supplied, the time required for catalyst regeneration due to an exothermic reaction is avoided, or the fuel poisoning component is burned and removed by intensive supply from some fuel supply means. It is effective.

特に、改質反応器の一端から改質用原料が供給されると共に、他端から発熱用燃料が供給されるように構成されている場合、発熱反応時に器内を挿通する雰囲気、すなわち発熱用燃料および燃焼ガスの挿通方向における触媒担持部の中央部より上流側の少なくとも一部の領域において、触媒が所定温度に到達したと判定されたときには、前記挿通方向における前記中央部より下流側に配設された燃料供給手段の少なくとも一つの発熱用燃料の供給量を、前記上流側よりも多くするように調節することが効果的である。   In particular, when the reforming raw material is supplied from one end of the reforming reactor and the exothermic fuel is supplied from the other end, the atmosphere that passes through the reactor during the exothermic reaction, that is, for exothermic use When it is determined that the catalyst has reached a predetermined temperature in at least a part of the upstream side of the center of the catalyst carrier in the fuel and combustion gas insertion direction, the catalyst is disposed downstream of the center in the insertion direction. It is effective to adjust the supply amount of at least one heat generating fuel in the provided fuel supply means to be larger than that on the upstream side.

触媒上への硫黄その他の被毒物質の堆積は、改質用燃料の供給側である改質反応器の一端付近に集中しやすいため、発熱用燃料の供給側である他端付近に担持されている触媒が所定温度に到達したと判定されたときには、改質用燃料の供給側への発熱用燃料の供給を多くすることで発熱反応性が高められるので、堆積した被毒物質の燃焼除去に効果的である。   Accumulation of sulfur and other poisonous substances on the catalyst tends to concentrate near one end of the reforming reactor on the reforming fuel supply side, so it is supported near the other end on the exothermic fuel supply side. When it is determined that the catalyst that has reached the predetermined temperature, the exothermic reactivity is increased by increasing the supply of the exothermic fuel to the reforming fuel supply side, so the accumulated poisonous substances are removed by combustion. It is effective.

第2の発明である燃料電池システムは、前記第1の発明である水素生成装置と、水素生成装置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で構成したものである。   A fuel cell system according to a second aspect of the invention comprises a hydrogen generator according to the first aspect of the invention and a fuel cell that generates electric power by supplying a hydrogen-containing gas reformed and produced by the hydrogen generator.

上記のように、改質反応から発熱反応に切替える際、発熱用燃料の供給量を減らして所定の目標量よりも少なくすることによって、発熱反応時の空燃比を理論空燃比よりもリーンの状態にするので、触媒の全体または局部的な異常昇温が解消され、水素の改質生成を長期間継続し得る耐久性能を確保し得、通常の発電運転を安定的に行なうことができる。   As described above, when switching from the reforming reaction to the exothermic reaction, the supply amount of the exothermic fuel is reduced to be smaller than a predetermined target amount, so that the air-fuel ratio at the exothermic reaction is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Therefore, the abnormal temperature rise locally or locally of the catalyst is eliminated, durability performance capable of continuing reforming and generation of hydrogen for a long time can be secured, and normal power generation operation can be performed stably.

第2の発明では、水素透過性金属層の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質を備えた燃料電池を用いて構成することが効果的である。このような、水素透過性金属層の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質を備えた燃料電池は、作動温度域が300〜600℃であるため、改質反応が進行する反応温度域と略同域にあり、改質生成された水素リッチガスを燃料電池の運転温度域で供給することができると共に、燃料電池のアノード側およびカソード側のオフガスはそのままPSR型改質器に戻されて再生等の反応に利用できるので、システム構成上および熱エネルギーの有効利用の点で特に適している。また、供給前の予熱も不要である。   In the second invention, it is effective to use a fuel cell including an electrolyte in which an electrolyte layer is laminated on at least one side of a hydrogen permeable metal layer. Such a fuel cell including an electrolyte in which an electrolyte layer is laminated on at least one side of a hydrogen permeable metal layer has an operating temperature range of 300 to 600 ° C. The hydrogen rich gas produced by reforming can be supplied in the operating temperature range of the fuel cell, and the off-gas on the anode side and cathode side of the fuel cell is directly returned to the PSR reformer for regeneration, etc. Therefore, it is particularly suitable in terms of system configuration and effective use of thermal energy. In addition, preheating before supply is unnecessary.

本発明は、改質器に蓄えられた蓄熱量を利用して改質反応させ、燃料電池システムとしたときには改質生成された水素を燃料電池に供給すると共に、燃料の水蒸気改質により低下した改質器の蓄熱量を発熱反応である発熱反応(再生反応)を行なわせて回復するようにして、改質反応と再生反応とを交互に切替えて行なう場合に、改質反応から再生反応に切替える際の触媒劣化を抑えて、燃料から水素を改質生成する改質効率を確保し、安定した発電運転を安定して行なうことが可能なシステムを構築することができる。   In the present invention, when a reforming reaction is performed by using a heat storage amount stored in a reformer to form a fuel cell system, the reformed and generated hydrogen is supplied to the fuel cell and is reduced by steam reforming of the fuel. When the reformer recovers the heat storage amount by performing an exothermic reaction (regeneration reaction), which is an exothermic reaction, when the reforming reaction and the regeneration reaction are switched alternately, the reforming reaction is changed to the regeneration reaction. It is possible to construct a system that can suppress deterioration of the catalyst at the time of switching, secure reforming efficiency for reforming and generating hydrogen from fuel, and stably perform stable power generation operation.

本発明によれば、改質反応から再生反応への切替え時における急激な温度上昇に伴なう触媒劣化を回避し、水素の改質生成を長期にわたって高効率に行ない得る水素生成装置および、高耐久性で発電性能を安定的に発揮し得る燃料電池システムを提供することができる。   According to the present invention, a hydrogen generator capable of avoiding catalyst deterioration accompanying a rapid temperature increase at the time of switching from a reforming reaction to a regeneration reaction, and performing reforming generation of hydrogen with high efficiency over a long period of time, and a high It is possible to provide a fuel cell system that can stably exhibit power generation performance with durability.

以下、図面を参照して、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。なお、下記の実施形態では、発熱用燃料として燃焼用燃料を用いた場合を中心に説明する。   Hereinafter, with reference to the drawings, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail, and details of the hydrogen generator of the present invention will also be specifically described through the description. In the following embodiment, a case where combustion fuel is used as the heat generating fuel will be mainly described.

本発明の燃料電池システムの実施形態を図1〜図9を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システムは、水素透過性の金属膜の膜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、改質反応から燃焼反応に切替える際、切替直後の燃焼に用いる燃焼用ガソリン(燃焼用燃料)の供給量を目標量よりも少なくして(理論空燃比よりもリーンにして)燃焼反応を開始し、その後、燃焼用ガソリンの供給量を目標量まで徐増するように構成したものである。また、改質反応から燃焼反応に切替えた後、一定時間Tの経過を条件に、一方の噴射装置から燃焼用ガソリンを供給するようにしてある。   An embodiment of a fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIGS. The fuel cell system of the present embodiment is an electric vehicle equipped with a hydrogen separation membrane fuel cell (HMFC) using an electrolyte membrane in which proton conductive ceramics are laminated on the membrane surface of a hydrogen permeable metal membrane. When the hydrogen generation apparatus of the present invention is installed in and the changeover from the reforming reaction to the combustion reaction is performed, the supply amount of combustion gasoline (combustion fuel) used for combustion immediately after the changeover is made smaller than the target amount (theoretical air-fuel ratio) In this configuration, the combustion reaction is started, and then the supply amount of combustion gasoline is gradually increased to the target amount. In addition, after switching from the reforming reaction to the combustion reaction, combustion gasoline is supplied from one of the injection devices on the condition that a predetermined time T has elapsed.

本実施形態の水素生成装置は、改質反応させる改質用原料が通過する改質側流路、および燃焼反応させる燃焼用燃料が通過する再生側流路を有する単一の切替装置を用いて、対をなす二つの改質反応器間の改質反応と再生反応とを交互に切替えるようにしたものであり、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なっている。   The hydrogen generator of the present embodiment uses a single switching device having a reforming side passage through which a reforming raw material to be reformed and a regeneration side passage through which a combustion fuel to undergo a combustion reaction passes. The reforming reaction and regeneration reaction between two paired reforming reactors are alternately switched, and the hydrogen separation membrane fuel cell is generated by the hydrogen reformed and generated by this hydrogen generator. It is supposed to drive.

水素生成装置については、改質反応により改質する改質用原料としてガソリンおよび水蒸気の混合ガスを、再生反応時に燃焼させる燃焼用燃料として、ガソリンを主成分とし、これに燃料電池の水素極(アノード)側から排出されたアノードオフガスを混合したものを用いる場合を中心に説明する。但し、本発明においては下記実施形態に制限されるものではない。   As for a hydrogen generator, a mixed gas of gasoline and steam is used as a reforming raw material to be reformed by a reforming reaction, gasoline is used as a combustion fuel to be combusted during a regeneration reaction, and a hydrogen electrode ( The description will focus on the case of using a mixture of anode off-gas discharged from the anode side. However, the present invention is not limited to the following embodiment.

図1に示すように、本実施形態は、触媒および噴射装置が設けられ、改質反応と再生反反応とを交互に切替えて行なわせることが可能な第1のPSR型改質器(PSR1)10および第2のPSR型改質器(PSR2)20を有するPSR改質装置1と、各PSR型改質器で改質生成された水素が供給されて発電運転を行なう水素分離膜型燃料電池(HMFC)30と、第1および第2のPSR型改質器の各々と繋がる供給流路を同時に切替える切替装置40と、を備えている。   As shown in FIG. 1, the present embodiment is provided with a catalyst and an injection device, and a first PSR reformer (PSR1) capable of alternately switching between a reforming reaction and a regeneration reaction. 10 and a second PSR reformer (PSR2) 20 and a hydrogen separation membrane fuel cell in which hydrogen generated by reforming in each PSR reformer is supplied to perform a power generation operation. (HMFC) 30 and a switching device 40 that simultaneously switches supply channels connected to each of the first and second PSR reformers.

PSR型改質器10およびPSR型改質器20での改質反応と再生反応との相互切替は、ガソリンおよび水蒸気の混合ガス(改質用原料)をPSR型改質器へ供給するための流路、燃焼用ガソリンおよびアノード(水素極;以下同様)オフガス(燃焼用燃料)をPSR型改質器へ供給するための流路、燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスを燃焼させるためのエア(以下、「支燃エア」ともいう。)をPSR型改質器へ供給するための流路、並びに改質生成された水素リッチガスをPSR型改質器から排出するための流路を切替える切替手段、具体的には切替装置40および複数のバルブ(バルブV1〜V5)を制御装置100で制御して行なえるようになっている。   The mutual switching between the reforming reaction and the regeneration reaction in the PSR reformer 10 and the PSR reformer 20 is for supplying a mixed gas (raw material for reforming) of gasoline and steam to the PSR reformer. A flow path, a combustion gasoline and an anode (hydrogen electrode; the same applies below) a flow path for supplying off gas (combustion fuel) to the PSR reformer, an air for burning the combustion gasoline and anode off gas (hereinafter referred to as A switching means for switching a flow path for supplying “combustion air”) to the PSR reformer, and a flow path for discharging the reformed and generated hydrogen-rich gas from the PSR reformer; Specifically, the switching device 40 and a plurality of valves (valves V1 to V5) can be controlled by the control device 100.

第1のPSR型改質器10の一端には、改質用原料であるガソリンおよび水蒸気の混合ガスを噴射するための噴射装置15が取付けられており、噴射装置15を介して供給配管102が一端で接続されると共に、排出管105の一端が更にで接続され、排出管105の他端から再生反応により生じた燃焼ガス(以下、「燃焼オフガス」ともいう。)の排出が可能なようになっている。   At one end of the first PSR reformer 10, an injection device 15 for injecting a mixed gas of gasoline and steam as reforming raw materials is attached, and a supply pipe 102 is connected via the injection device 15. In addition to being connected at one end, one end of the discharge pipe 105 is further connected so that combustion gas generated by the regeneration reaction (hereinafter also referred to as “combustion off-gas”) can be discharged from the other end of the discharge pipe 105. It has become.

第1のPSR型改質器10の他端には、再生反応時に燃焼させる燃焼用ガソリンを水素分離膜型燃料電池(以下、単に「燃料電池」ともいう。)30から排出されたアノードオフガスと共に噴射するための噴射装置16と、燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスを燃焼させるための支燃エアを噴射するための噴射装置18とが、器内に内装された隔壁19を隔てて取付けられており、噴射装置16を介してバルブV6を備えた供給配管110と一端で接続されると共に、噴射装置18を介して供給配管112と一端で接続されている。さらに、PSR型改質器10の他端には、バルブV2を備え、改質反応により改質生成された水素リッチガスを排出する排出配管117の一端が接続されている。   At the other end of the first PSR reformer 10, combustion gasoline that is burned during the regeneration reaction is discharged together with the anode off-gas discharged from a hydrogen separation membrane fuel cell (hereinafter also simply referred to as “fuel cell”) 30. An injection device 16 for injecting and an injection device 18 for injecting combustion-supporting air for burning combustion gasoline and anode off-gas are attached with a partition wall 19 provided in the container therebetween, It is connected at one end to a supply pipe 110 provided with a valve V6 via an injection device 16 and at one end to a supply pipe 112 via an injection device 18. Further, the other end of the PSR reformer 10 is provided with a valve V2 and connected to one end of a discharge pipe 117 that discharges the hydrogen-rich gas reformed and generated by the reforming reaction.

また、PSR型改質器10の、隔壁19の噴射装置16が取り付けられている側となる側壁には更に、供給配管110の配管途中で分岐した供給配管111の一端と接続された噴射装置17が更に取付けられており、噴射装置16および噴射装置17の2箇所から燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスの供給が可能なように構成されている。   Further, the side wall of the PSR reformer 10 on the side where the injection device 16 of the partition wall 19 is attached is further connected to one end of the supply pipe 111 branched in the middle of the supply pipe 110. Are further installed, and are configured so that combustion gasoline and anode off-gas can be supplied from two locations of the injection device 16 and the injection device 17.

第2のPSR型改質器20の一端には、改質用原料であるガソリンおよび水蒸気の混合ガスを噴射するための噴射装置21が取付けられており、噴射装置21を介して供給配管103が一端で接続されると共に、排出管106の一端が更に接続されており、排出管106の他端から燃焼オフガスの排出が可能なようになっている。   At one end of the second PSR reformer 20, an injection device 21 for injecting a mixed gas of gasoline and steam as a reforming raw material is attached, and a supply pipe 103 is connected via the injection device 21. In addition to being connected at one end, one end of the exhaust pipe 106 is further connected so that the combustion off-gas can be discharged from the other end of the exhaust pipe 106.

第2のPSR型改質器20の他端は、PSR型改質器10と同様、再生反応時に燃焼させる燃焼用ガソリンを燃料電池30から排出されたアノードオフガスと共に噴射するための噴射装置23と、燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスを燃焼させるための支燃エアを噴射するための噴射装置22とが、器内に内装された隔壁25を隔てて取付けられており、噴射装置23を介してバルブV7を備えた供給配管113と一端で接続されると共に、噴射装置22を介して供給配管115と一端で接続されている。さらに、PSR型改質器20の他端には、バルブV3を備え、改質反応により改質生成された水素リッチガスを排出する排出配管118の一端が接続されている。   Similarly to the PSR reformer 10, the other end of the second PSR reformer 20 is an injection device 23 for injecting combustion gasoline to be burned during the regeneration reaction together with the anode off-gas discharged from the fuel cell 30. An injector 22 for injecting combustion-supporting air for burning combustion gasoline and anode off-gas is attached with a partition wall 25 provided in the container, and is connected to a valve V7 via the injector 23. Is connected at one end to a supply pipe 113 provided with, and is connected at one end to a supply pipe 115 via an injection device 22. Further, the other end of the PSR reformer 20 is provided with a valve V3 and connected to one end of a discharge pipe 118 for discharging the hydrogen rich gas reformed and generated by the reforming reaction.

また、PSR型改質器20の、隔壁25の噴射装置23が取り付けられている側となる側壁には更に、供給配管113の配管途中で分岐した供給配管114の一端で接続された噴射装置24が更に取付けられており、噴射装置23および噴射装置24の2箇所から燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスの供給が可能なように構成されている。   Further, the injection device 24 connected to one end of the supply pipe 114 branched in the middle of the supply pipe 113 is further connected to the side wall of the PSR reformer 20 on the side where the injection device 23 of the partition wall 25 is attached. Is further installed, and is configured so that combustion gasoline and anode off-gas can be supplied from two locations of the injection device 23 and the injection device 24.

供給配管102および供給配管103の各他端は、切替装置40と接続されており、供給配管102、103が接続された側(以下、「改質用流路側」ともいう。)には更に、混合器26を備え、一端に取付けられたポンプP1により供給されたガソリンに水蒸気を混合して調製された混合ガス(改質用原料)を供給する燃料供給管104の他端が接続され、切替装置40の切替動作によって、燃料供給管104と供給配管102とが連通するか、または燃料供給管104と供給配管103とが連通するように切替えられるようになっている。   The other ends of the supply pipe 102 and the supply pipe 103 are connected to the switching device 40, and further to the side to which the supply pipes 102 and 103 are connected (hereinafter also referred to as “reforming channel side”). The other end of a fuel supply pipe 104 that supplies a mixed gas (reforming raw material) prepared by mixing water vapor with gasoline supplied by a pump P1 attached to one end of the mixer 26 is connected and switched. By the switching operation of the apparatus 40, the fuel supply pipe 104 and the supply pipe 102 are communicated with each other, or the fuel supply pipe 104 and the supply pipe 103 are communicated with each other.

混合器26には、燃料電池30から排出されたカソードオフガスを排出する排出配管120が接続されており、カソードオフガス中に含まれる水分をガソリンの水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として使用するようになっている。   The mixer 26 is connected to a discharge pipe 120 that discharges the cathode offgas discharged from the fuel cell 30, so that water contained in the cathode offgas is used as a steam source necessary for the steam reforming reaction of gasoline. It has become.

また、切替装置40の供給配管102、103並びに燃料供給管104が接続された改質用流路側とは反対側(以下、「再生用流路側」ともいう。)には、供給配管110および供給配管113の各他端と、一端にポンプP2を備え、再生反応時に燃焼させる燃焼用燃料であるガソリンを供給する燃料供給管121の他端とが接続されており、改質用流路側と同様に切替装置40の切替動作により、燃料供給管121と供給配管110とが連通するか、または燃料供給管121と供給配管113とが連通するように切替えられるようになっている。   In addition, on the side opposite to the reforming flow path side to which the supply pipes 102 and 103 and the fuel supply pipe 104 of the switching device 40 are connected (hereinafter also referred to as “regeneration flow path side”), the supply pipe 110 and the supply are provided. Each other end of the pipe 113 is connected to the other end of the fuel supply pipe 121 that is provided with a pump P2 at one end and supplies gasoline as combustion fuel to be burned during the regeneration reaction, and is the same as the reforming flow path side. In addition, by the switching operation of the switching device 40, the fuel supply pipe 121 and the supply pipe 110 are communicated with each other, or the fuel supply pipe 121 and the supply pipe 113 are communicated with each other.

供給配管112および供給配管115の各他端は、三方バルブV1と接続されており、この三方バルブV1を介して、供給配管112、115は一端に取付けられたポンプP3で吸気されたエア(支燃エア)を供給するエア供給管116と連通されている。エア供給管116から供給されたエアは、三方バルブV1の切替により、再生反応させる再生側のPSR型改質器に選択的にエアの供給が行なえるようになっている。   The other ends of the supply pipe 112 and the supply pipe 115 are connected to a three-way valve V1, and the supply pipes 112 and 115 are connected to the air (support) via a pump P3 attached to one end via the three-way valve V1. The air supply pipe 116 for supplying (combustion air) is communicated. The air supplied from the air supply pipe 116 can be selectively supplied to the regeneration-side PSR reformer to be regenerated by switching the three-way valve V1.

また、排出配管117および排出配管118の各他端は、各々が一端で繋がるPSR型改質器で改質生成された水素リッチガスを水素分離膜型燃料電池30に供給する水素供給管119の一端と接続されると共に、供給配管110、113の各配管途中には、燃料電池30から排出されたアノードオフガスをPSR型改質器に送るための配管122、123の一端が接続されており、バルブV2〜V5を切替えることによって選択的に、再生側のPSR型改質器にアノードオフガスを導入し、改質側のPSR型改質器において生成、排出された水素リッチガスを発電用燃料として燃料電池30に供給できるようになっている。   Further, each of the other ends of the discharge pipe 117 and the discharge pipe 118 is one end of a hydrogen supply pipe 119 that supplies hydrogen-rich gas reformed and generated by the PSR type reformer connected at one end to the hydrogen separation membrane fuel cell 30. And one end of pipes 122 and 123 for sending the anode off-gas discharged from the fuel cell 30 to the PSR reformer are connected in the middle of the pipes of the supply pipes 110 and 113. By selectively switching between V2 and V5, an anode off-gas is selectively introduced into the regeneration-side PSR reformer, and a fuel cell using the hydrogen-rich gas generated and discharged in the reforming-side PSR reformer as a fuel for power generation 30 can be supplied.

噴射装置15および21は、各々が取付けられているPSR型改質器が改質反応を行なうときにガソリンおよび水蒸気の混合ガス(改質用原料)を広角に噴射し、PSR型改質器に内装された触媒上への供給、反応が行なえるようになっている。また、噴射装置16および23は、各々が取付けられているPSR型改質器が再生反応を行なうときに燃焼用ガソリンをアノードオフガスと共に広角に噴射し、噴射装置18、23は、噴射された燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスを燃焼させるための支燃エアを噴射することにより、PSR型改質器に内装された触媒上で燃焼反応させ得るようになっている。   The injection devices 15 and 21 inject a mixed gas (reforming raw material) of gasoline and water vapor at a wide angle when the PSR reformer to which each is attached performs a reforming reaction, to the PSR reformer It can supply and react on the catalyst inside. The injectors 16 and 23 inject combustion gasoline at a wide angle together with the anode off-gas when the PSR reformer to which each of the injectors is attached performs a regeneration reaction, and the injectors 18 and 23 perform the injected combustion. By injecting combustion-supporting air for burning gasoline and anode off-gas for combustion, a combustion reaction can be performed on the catalyst incorporated in the PSR reformer.

水素供給管119には更に、余剰な水素リッチガスを別途取付けた水素貯蔵タンク(例えば水素吸蔵装置)に水素吸蔵させるようにし、起動時や低負荷時あるいは負荷変動により水素要求量が変動する場合に、水素貯蔵タンクから水素を取出して水素量を適宜増減するようにしてもよく、また、水素供給量を一時的に変化させてPSR型改質器に供給されるアノードオフガス中の水素(燃焼用燃料)量の増減調整を適宜行なうことも可能である。   The hydrogen supply pipe 119 is further configured to store excess hydrogen-rich gas in a hydrogen storage tank (for example, a hydrogen storage device) separately attached, and when the hydrogen demand changes due to startup, low load, or load fluctuation. The hydrogen amount may be appropriately increased or decreased by removing the hydrogen from the hydrogen storage tank, or the hydrogen in the anode off-gas supplied to the PSR reformer by temporarily changing the hydrogen supply amount (for combustion It is also possible to adjust the increase / decrease of the fuel amount as appropriate.

また、配管122、123には、開度によりアノードオフガス量を調節する絞り弁や水素バッファータンク(例えば水素吸蔵装置、高圧水素タンクなど)を設け、絞り弁の駆動や水素バッファータンクからの水素供給を行なうことにより、PSR型改質器への供給量を調節することもできる。   In addition, the pipes 122 and 123 are provided with a throttle valve and a hydrogen buffer tank (for example, a hydrogen storage device, a high-pressure hydrogen tank, etc.) that adjust the anode off-gas amount according to the opening, and drive the throttle valve and supply hydrogen from the hydrogen buffer tank. By performing the above, it is possible to adjust the supply amount to the PSR reformer.

水素分離膜型燃料電池30には、アノード(水素極)側において、水素供給管119の他端と、アノードオフガスの排出、挿通が可能な排出配管124の一端とが接続されており、排出配管124の他端は配管122、123の各他端と接続されている。また、カソード(酸素極)側において、発電運転させるための酸素含有率の高いエア(酸化剤ガス)を供給するエア供給管125の一端と、電池反応で生じたカソードオフガスを排出する排出配管120の他端とが接続されている。このように、燃料電池30は改質生成された水素とエアとが供給されたときに発電運転し、発電後にはオフガス(アノードオフガスおよびカソードオフガス)を電池外部に排出できるように構成されている。   The hydrogen separation membrane fuel cell 30 is connected on the anode (hydrogen electrode) side to the other end of the hydrogen supply pipe 119 and one end of a discharge pipe 124 capable of discharging and inserting the anode off-gas. The other end of 124 is connected to the other ends of the pipes 122 and 123. In addition, on the cathode (oxygen electrode) side, one end of an air supply pipe 125 that supplies air (oxidant gas) having a high oxygen content for power generation operation, and a discharge pipe 120 that discharges cathode offgas generated by the cell reaction. Is connected to the other end. As described above, the fuel cell 30 is configured to perform a power generation operation when the reformed and generated hydrogen and air are supplied, and to discharge off-gas (anode off-gas and cathode off-gas) to the outside of the cell after power generation. .

また、燃料電池30の内部には、大気中から給気した冷却用エア(冷却媒体)を挿通する冷却管を設けて冷却エアとの熱交換により電池内部の冷却が行なえるようにしてもよい。この場合、再生側のPSR型改質器に冷却管から排出された冷却用エアを供給し、再生反応時の燃焼に用いる支燃エアとして利用してもよい。   In addition, a cooling pipe through which cooling air (cooling medium) supplied from the atmosphere is inserted may be provided inside the fuel cell 30 so that the inside of the battery can be cooled by heat exchange with the cooling air. . In this case, the cooling air discharged from the cooling pipe may be supplied to the regeneration side PSR reformer and used as combustion support air used for combustion during the regeneration reaction.

第1のPSR型改質器10,20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11と、筒状体11の内壁面に担持された触媒(触媒担持部)12とで構成されており、筒状体11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。   As shown in FIG. 2, the first PSR reformers 10 and 20 include a cylindrical body 11 having a circular cross section with both ends closed, and a catalyst (catalyst supporting section) supported on the inner wall surface of the cylindrical body 11. ) 12, and the cylindrical body 11 forms a space for carrying out the reaction and also functions as a catalyst carrier.

筒状体11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 11 is a hollow body which is formed into a cylindrical shape having a circular cross section with a diameter of 10 cm using a ceramic honeycomb and has both ends in the longitudinal direction of the cylinder 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12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(図2参照)を触媒を担持しない触媒非担持部12A,12Bとして残し(図1参照)、触媒非担持部を除く全面に担持されている。触媒12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。   In the curved surface of the cylindrical body wall, the catalyst 12 has a predetermined distance A from the vicinity of the center of the cylinder from both ends in the length direction of the cylindrical body toward the in-cylinder direction, that is, from both ends in the length direction (see FIG. 2). Are left as catalyst non-supporting portions 12A and 12B that do not support a catalyst (see FIG. 1), and are supported on the entire surface excluding the catalyst non-supporting portion. For the catalyst 12, metals such as Pd, Ni, Pt, Rh, Ag, Ce, Cu, La, Mo, Mg, Sn, Ti, Y, and Zn can be used.

触媒12により改質反応させた場合、改質生成された水素リッチガスは該ガスの排出方向下流側の触媒非担持部12Aで冷却され、水素リッチガスを燃料電池30の運転温度に近づけて供給できると共に、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12Aは水素リッチガスとの熱交換により昇温した状態にあり、水素リッチガスの排出方向とは逆向きに供給された燃焼用ガソリンおよび支燃エアを触媒非担持部12Aで予熱させてから触媒12に供給できるようになっている。これにより、触媒12が担持された筒状体11の中央付近ほど、蓄熱量が高くなる温度分布が形成され、反応性の点で有利である。   When the reforming reaction is performed by the catalyst 12, the reformed and generated hydrogen rich gas is cooled by the catalyst non-supporting portion 12 </ b> A on the downstream side in the gas discharge direction, and the hydrogen rich gas can be supplied close to the operating temperature of the fuel cell 30. On the contrary, when the reforming reaction is switched to the regeneration reaction, the catalyst unsupported portion 12A is in a state of being heated by heat exchange with the hydrogen rich gas, and is supplied in a direction opposite to the discharge direction of the hydrogen rich gas. Combustion gasoline and combustion support air can be supplied to the catalyst 12 after being preheated by the catalyst non-supporting portion 12A. Thereby, a temperature distribution in which the amount of heat storage becomes higher is formed near the center of the cylindrical body 11 on which the catalyst 12 is supported, which is advantageous in terms of reactivity.

本実施形態では、再生反応に必要な燃焼用ガソリンおよび支燃エアの双方が触媒非担持部12Aを通過して器内に供給されるように構成されているため、再度改質反応に切替えられる前に、触媒非担持部12Aをより低温に冷却することが可能であり、再度改質反応に切替えられ生成された水素リッチガスを充分に低温にしてから排出することができる。   In the present embodiment, since both the combustion gasoline and the combustion support air necessary for the regeneration reaction pass through the catalyst non-supporting part 12A and are supplied into the chamber, the reforming reaction is switched again. Before, the catalyst non-supporting portion 12A can be cooled to a lower temperature, and the hydrogen-rich gas generated by switching to the reforming reaction again can be discharged after being sufficiently lowered in temperature.

なお、筒状体11には、触媒12の中央部付近の温度を計測するための温度センサ29と、触媒12の触媒非担持部12B近傍、つまり燃焼用ガソリン等の燃焼用燃料の供給方向の触媒端部付近の温度を計測するための温度センサ30とが取付けられている。また、第2のPSR型改質器20は、第1のPSR型改質器10と同様に構成されており、第1のPSR型改質器10で行なわせる反応(改質反応であるか再生反応であるか)との関係で、改質反応と再生反応とを切替えて行なえるようになっている。   The cylindrical body 11 has a temperature sensor 29 for measuring the temperature near the center of the catalyst 12 and the vicinity of the catalyst non-supporting portion 12B of the catalyst 12, that is, in the supply direction of combustion fuel such as combustion gasoline. A temperature sensor 30 for measuring the temperature in the vicinity of the catalyst end is attached. The second PSR reformer 20 is configured in the same manner as the first PSR reformer 10, and is a reaction (reformation reaction) to be performed by the first PSR reformer 10. It is possible to switch between the reforming reaction and the regeneration reaction.

切替装置40は、図3に示すように、管との接続が可能な3つの貫通孔が設けられ、互いに略平行に所定の間隔を有して固定された固定部材41および固定部材42と、固定部材41および固定部材42間を移動可能に配置され、固定部材41の3つの貫通孔のうち2つを連通する第1流路(改質用流路)44および固定部材42の3つの貫通孔のうち2つを連通する第2流路(再生用流路)45を有する可動部43と、で構成されている。   As shown in FIG. 3, the switching device 40 is provided with three through holes that can be connected to a pipe, and fixed members 41 and 42 that are fixed substantially in parallel with each other at a predetermined interval. The first passage (reforming passage) 44 and the three penetrations of the fixing member 42 are disposed so as to be movable between the fixing member 41 and the fixing member 42 and communicate with two of the three through holes of the fixing member 41. And a movable portion 43 having a second flow path (regeneration flow path) 45 communicating two of the holes.

PSR型改質器10で改質反応させ、PSR型改質器20で再生反応させるときには、可動部43を平行移動させて図3−(a)に示す状態とし、第1流路(改質用流路)44を介して燃料供給管104と供給配管102とを連通させると共に、第2流路(再生用流路)45を介して燃料供給管121と供給配管113とを連通させる。切替装置40の切替動作によって逆に、PSR型改質器10で再生反応させ、PSR型改質器20で改質反応させるときには、可動部43を平行移動させて図3−(b)に示す状態とし、第1流路(改質用流路)44を介して燃料供給管104と供給配管103とを連通させると共に、第2流路(再生用流路)45を介して燃料供給管121と供給配管110とを連通させる。   When the reforming reaction is performed by the PSR reformer 10 and the regeneration reaction is performed by the PSR reformer 20, the movable portion 43 is moved in parallel to the state shown in FIG. The fuel supply pipe 104 and the supply pipe 102 are communicated with each other via the supply flow path 44, and the fuel supply pipe 121 and the supply pipe 113 are communicated with each other via the second flow path (regeneration flow path) 45. On the contrary, when the PSR reformer 10 causes the regenerative reaction and the PSR reformer 20 causes the reforming reaction by the switching operation of the switching device 40, the movable portion 43 is moved in parallel and shown in FIG. The fuel supply pipe 104 and the supply pipe 103 are communicated via the first flow path (reforming flow path) 44 and the fuel supply pipe 121 is connected via the second flow path (regeneration flow path) 45. And the supply pipe 110 are communicated with each other.

以上のようにして、単一の切替装置40を用いて、対をなす二つの改質反応器10、20での改質反応と再生反応との交互切替えを同時に行なえるようになっている。これにより、切替誤動作が回避されると共に同期性が保証され、酸素量の少ない段階で燃焼用燃料の燃焼が開始されたり、改質効率が低下するのを防止することができる。   As described above, the single switching device 40 can be used to simultaneously switch the reforming reaction and the regeneration reaction in the two reforming reactors 10 and 20 that make a pair. Thereby, switching malfunction is avoided and synchronism is ensured, and combustion of combustion fuel can be prevented from being started or reforming efficiency can be prevented from being lowered at a stage where the amount of oxygen is small.

水素分離膜型燃料電池(HMFC)30は、図4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51と、電解質膜51を狭持する酸素極(O2極)52および水素極(H2極)53とで構成されており、PSR型改質器10で改質生成された水素リッチ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。 As shown in FIG. 4, the hydrogen separation membrane fuel cell (HMFC) 30 includes an electrolyte membrane 51 having a dense hydrogen permeable membrane using a hydrogen permeable metal, and an oxygen electrode (O 2) sandwiching the electrolyte membrane 51. Electrode) 52 and a hydrogen electrode (H 2 electrode) 53. When the hydrogen-rich gas reformed and generated by the PSR reformer 10 is supplied, hydrogen can be selectively permeated to perform power generation operation. It has become so.

酸素極52と電解質膜51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59aが形成されており、水素極53と電解質膜51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リッチガス)を通過、すなわち給排するための燃料流路59bが形成されている。酸素極52および水素極53は、カーボン(例えば、白金また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 52 and the electrolyte membrane 51, an air flow path 59 a for passing, that is, supplying and discharging air (Air) as an oxidant gas is formed, and between the hydrogen electrode 53 and the electrolyte membrane 51. A fuel flow path 59b for passing, that is, supplying and discharging hydrogen-rich fuel gas (here, reformed and generated hydrogen-rich gas) is formed. The oxygen electrode 52 and the hydrogen electrode 53 are made of various materials such as carbon (for example, carbon powder carrying platinum or an alloy composed of platinum and other metals) or an electrolyte solution (for example, Nafion Solution manufactured by Aldrich Chemical). Can be formed.

電解質膜51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層)56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層)55、57は、基材56を両側から挟むようにして設けられており、一方のPd層55の基材56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54が薄層状に設けられている。 The electrolyte membrane 51 has a four-layer structure including a dense substrate (dense hydrogen permeable layer made of a hydrogen permeable metal) 56 formed of vanadium (V). The palladium (Pd) layers (dense hydrogen permeable layers made of a hydrogen permeable material) 55 and 57 are provided so as to sandwich the base material 56 from both sides, and are opposite to the side of the one Pd layer 55 in contact with the base material 56. On the side surface, an electrolyte layer 54 made of BaCeO 3 (solid oxide) is further provided in a thin layer shape.

基材56は、バナジウム(V)以外に、ニオブ、タンタル、およ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。   The base material 56 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.

電解質層(BaCeO3層)54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 layer) 54 can be configured by using a SrCeO 3 based ceramic proton conductor other than BaCeO 3.

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、タンタルおよ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層を設けることで電解質膜を保護できる。   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 membrane can be protected by providing a dense layer using these.

水素透過性金属からなる緻密層(被膜)については、酸素極側では、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(バナジウム単体および、バナジウム−ニッケル等の合金を含む。)、ニオブ、タンタルおよ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側が望ましい。また、水素極側では、水素透過性が比較的高く水素脆化しにくい点で、例えば、パラジウムまたはパラジウム合金を用いるのが好ましい。   The dense layer (coating) made of a hydrogen permeable metal generally contains, for example, vanadium (vanadium alone and an alloy such as vanadium-nickel) on the oxygen electrode side because it is generally highly hydrogen permeable 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, the oxygen electrode side is desirable in terms of avoiding hydrogen embrittlement. On the hydrogen electrode side, it is preferable to use, for example, palladium or a palladium alloy because hydrogen permeability is relatively high and hydrogen embrittlement is difficult.

図4に示すように、Pd層55/基材56/Pd層57の3層からなるサンドウィッチ構造の層、すなわち異種金属(水素透過性材料からなる緻密層)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(例えば図15及び図16参照)。金属拡散抑制層については、特開2004−146337号公報の段落[0015]〜[0016]に記載されている。   As shown in FIG. 4, a sandwich structure composed of three layers of Pd layer 55 / base material 56 / Pd layer 57, that is, a laminated structure of two or more layers composed of different metals (dense layer composed of hydrogen permeable material). When it is provided, a metal diffusion suppressing layer that suppresses diffusion of the different metals may be provided on at least a part of the contact interface of the different metals (see, for example, FIGS. 15 and 16). The metal diffusion suppressing layer is described in paragraphs [0015] to [0016] of JP-A No. 2004-146337.

上記のように、サンドウィッチ構造の層をパラジウム(Pd)/バナジウム(V)/Pdとする以外に、Pd/タンタル(Ta)/V/Ta/Pd等の5層構造などとして設けることも可能である。既述のように、VはPdよりプロトンまた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ため、水素分子をプロトン化する能力の高いPd層をV層の片側または両側の面に設けることで、透過性能を向上させることができる。この場合に、金属層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 described above, the sandwich layer may be provided as a five-layer structure such as Pd / tantalum (Ta) / V / Ta / Pd in addition to palladium (Pd) / vanadium (V) / Pd. is there. As described above, V has a faster proton or hydrogen atom permeation rate than Pd and is inexpensive, but has a low ability to dissociate hydrogen molecules into protons and the like. By providing on one or both sides of the layer, the transmission performance can be improved. In this case, by providing a metal diffusion suppressing layer between the metal layers, mutual diffusion between different metals can be suppressed, and a decrease in hydrogen permeation performance and hence a decrease in electromotive force of the fuel cell can be suppressed.

また、電解質層54は固体酸化物からなり、Pd層55との界面の少なくとも一部には、電解質層中の酸素原子とPdとの反応を抑制する反応抑制層を設けるようにしてもよい(例えば図15の反応抑制層65)。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 54 is made of a solid oxide, and a reaction suppression layer that suppresses the reaction between oxygen atoms in the electrolyte layer and Pd may be provided at least at a part of the interface with the Pd layer 55 ( For example, the reaction suppression layer 65 in FIG. This reaction suppression layer is described in paragraphs [0024] to [0025] of JP-A No. 2004-146337.

電解質膜51は、緻密な水素透過性金属であるバナジウム基材と燃料電池のカソード側に成膜された無機質の電解質層とで構成されることにより、電解質層の薄層化が可能で、一般に高温型の固体酸化物型燃料電池(SOFC)の作動温度を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 51 includes a vanadium base material, which is a dense hydrogen-permeable metal, and an inorganic electrolyte layer formed on the cathode side of the fuel cell, so that the electrolyte layer can be made thin. The operating temperature of the high-temperature solid oxide fuel cell (SOFC) 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.

水素分離膜型燃料電池30は、燃料流路59bに水素(H2)密度の高い水素リッチガスが供給され、エア流路59a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。
2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
2+(1/2)O2 → H2O …(3)
In the hydrogen separation membrane fuel cell 30, when a hydrogen rich gas having a high hydrogen (H 2 ) density is supplied to the fuel flow path 59b and air containing oxygen (O 2 ) is supplied to the air flow path 59a, the following formula ( The electrochemical reaction (battery reaction) represented by 1) to (3) is caused to supply electric power to the outside. Equations (1) and (2) represent reactions on the anode side and cathode side, respectively, and equation (3) represents the total reaction in the fuel cell.
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5に示すように、PSR型改質器10,20(PSR改質装置1)、水素分離膜型燃料電池(HMFC)30、切替装置40、温度センサ29,30、バルブV1〜V7、ポンプP1〜P3、噴射装置15〜18および噴射装置21〜24、並びに混合器26等は、制御装置100と電気的に接続されており、制御装置100によって動作タイミングが制御されるようになっている。この制御装置100は、水素分離膜型燃料電池と接続されている不図示の負荷の大きさに応じて水素ガスおよびエアの量を調節することにより出力を制御する該燃料電池の通常の発電運転制御を担うと共に、PSR改質装置における改質反応と再生反応との間の反応制御(改質反応から再生反応に切替える際に燃焼反応時の空燃比を理論空燃比よりもリーンにする燃焼制御を含む。)をも担うものである。   As shown in FIG. 5, PSR reformers 10 and 20 (PSR reformer 1), hydrogen separation membrane fuel cell (HMFC) 30, switching device 40, temperature sensors 29 and 30, valves V1 to V7, pump P1 to P3, the injection devices 15 to 18 and the injection devices 21 to 24, the mixer 26, and the like are electrically connected to the control device 100, and the operation timing is controlled by the control device 100. . The control device 100 controls the output of the fuel cell by adjusting the amount of hydrogen gas and air according to the magnitude of a load (not shown) connected to the hydrogen separation membrane fuel cell. Responsible for control and reaction control between the reforming reaction and the regeneration reaction in the PSR reformer (combustion control for making the air-fuel ratio at the time of the combustion reaction leaner than the stoichiometric air-fuel ratio when switching from the reforming reaction to the regeneration reaction) Also included).

本実施形態では、PSR型改質器10で改質反応させると共に、PSR型改質器20で再生反応させる場合、切替装置40の可動部43を作動させて図3−(a)に示すように、燃料供給管104と供給配管102、燃料供給管121と供給配管113をそれぞれ連通させると共に、バルブV2およびバルブV5を開きバルブV3およびバルブV4を閉じることにより、排出配管117と水素供給管119、供給配管113および配管123をそれぞれ連通させ、更に三方バルブV1の切替えにより、エア供給管116と供給配管115を連通させる。   In the present embodiment, when the PSR reformer 10 performs the reforming reaction and the PSR reformer 20 performs the regeneration reaction, the movable portion 43 of the switching device 40 is operated to be as shown in FIG. In addition, the fuel supply pipe 104 and the supply pipe 102, the fuel supply pipe 121 and the supply pipe 113 are communicated with each other, and the valve V2 and the valve V5 are opened and the valve V3 and the valve V4 are closed, whereby the discharge pipe 117 and the hydrogen supply pipe 119 are connected. The supply pipe 113 and the pipe 123 are communicated with each other, and the air supply pipe 116 and the supply pipe 115 are communicated by switching the three-way valve V1.

このとき、ガソリンおよび水蒸気の混合ガス(改質用原料)は、PSR型改質器10に供給され、燃焼用ガソリンおよび燃料電池30のアノードオフガス、並びに支燃エアはPSR型改質器20に供給されて、それぞれの反応に供される。改質用原料である混合ガスは、混合器26内でガソリンと排出配管120からのカソードオフガス中の水分(水蒸気)とを混合して生成され、PSR型改質器10に送られる。   At this time, the mixed gas (reforming raw material) of gasoline and water vapor is supplied to the PSR reformer 10, and the combustion gasoline, the anode off-gas of the fuel cell 30 and the combustion support air are supplied to the PSR reformer 20. Supplied to each reaction. The mixed gas, which is the reforming raw material, is generated by mixing gasoline and moisture (water vapor) in the cathode off-gas from the discharge pipe 120 in the mixer 26, and is sent to the PSR reformer 10.

PSR型改質器10では、改質反応切替前の再生反応で蓄熱量が増大した状態にあり、供給配管102を挿通して噴射装置15からガソリンおよび水蒸気の混合ガス(改質用原料)が噴射されて触媒12上に供給されると、触媒12でガソリンの水蒸気改質が行なわれて水素リッチな合成ガス(水素リッチガス)が生成される。改質反応は、300〜1100℃の蓄熱下で行なうのが望ましい。   In the PSR type reformer 10, the heat storage amount is increased due to the regeneration reaction before the reforming reaction switching, and the mixed gas (reforming raw material) of gasoline and steam is inserted from the injection device 15 through the supply pipe 102. When injected and supplied onto the catalyst 12, steam reforming of gasoline is performed at the catalyst 12 to generate hydrogen-rich synthesis gas (hydrogen-rich gas). The reforming reaction is desirably performed under heat storage at 300 to 1100 ° C.

上記のように改質生成された水素リッチガスは、PSR型改質器10の排出配管117が接続する側の触媒非担持部12Aで予め冷却された後、排出配管117および水素供給管119を挿通して水素分離膜型燃料電池30のアノード側に供給され、さらにカソード側に設けられたエア供給管125からエアが供給されて、発電運転(電池反応)される。   The hydrogen-rich gas generated by reforming as described above is cooled in advance by the catalyst non-supporting portion 12A on the side to which the discharge pipe 117 of the PSR reformer 10 is connected, and then inserted through the discharge pipe 117 and the hydrogen supply pipe 119. Then, the hydrogen is supplied to the anode side of the hydrogen separation membrane fuel cell 30 and is further supplied with air from the air supply pipe 125 provided on the cathode side to perform a power generation operation (cell reaction).

供給された水素リッチガスが発電運転で消費された後は、アノードオフガスとして供給配管124に排出され、排出されたアノードオフガスは配管123および供給配管113を挿通して噴射装置23に送られ、燃焼用ガソリンと混合されて燃焼反応に供される。アノードオフガスには、主として電池反応に供されなかった残存水素が含まれる。   After the supplied hydrogen rich gas is consumed in the power generation operation, it is discharged to the supply pipe 124 as an anode off gas, and the discharged anode off gas is inserted into the pipe 123 and the supply pipe 113 and sent to the injector 23 for combustion. It is mixed with gasoline and used for combustion reaction. The anode off gas mainly includes residual hydrogen that has not been subjected to the battery reaction.

このとき、PSR型改質器20側には、切替装置40を介して連通するエア供給管121および供給配管113を挿通して噴射装置23、24から燃焼用ガソリンがアノードオフガスと共に噴射されて触媒12上に供給されると共に、エア供給管116および供給配管115を挿通して噴射装置22から支燃エアが供給されると、ガソリンの燃焼反応が進行し、燃焼加熱による蓄熱量、すなわち触媒温度を回復させることができる。つまり、触媒12は、ガソリンおよび水蒸気の混合ガスの改質開始温度以上に加熱再生される。   At this time, an air supply pipe 121 and a supply pipe 113 communicating with each other through the switching device 40 are inserted into the PSR reformer 20 side, and combustion gasoline is injected together with the anode off-gas from the injectors 23 and 24. 12 and when the combustion supporting air is supplied from the injection device 22 through the air supply pipe 116 and the supply pipe 115, the combustion reaction of gasoline proceeds, and the amount of heat stored by the combustion heating, that is, the catalyst temperature Can be recovered. That is, the catalyst 12 is heated and regenerated to a temperature higher than the reforming start temperature of the mixed gas of gasoline and steam.

燃焼用ガソリンは、器内に設けられた隔壁25により触媒12の担持部中央付近に到達したときに支燃エアと接触し燃焼反応を起こす。したがって、逆火を起こすことなく、触媒12の担持部中央付近で最も高温となる山型温度分布が形成される。これにより、短時間で再生反応を完了して改質反応に切替えることが可能となる。   When the gasoline for combustion reaches the vicinity of the center of the supporting portion of the catalyst 12 by the partition wall 25 provided in the container, it comes into contact with combustion supporting air and causes a combustion reaction. Therefore, a mountain-shaped temperature distribution that is the highest temperature is formed near the center of the supporting portion of the catalyst 12 without causing backfire. As a result, the regeneration reaction can be completed and switched to the reforming reaction in a short time.

このとき、PSR型改質器20の燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスが供給される側の触媒非担持部12Aは、上記同様に再生反応が開始される前の改質反応で昇温しており、再生反応時に供給された燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスとの熱交換で熱が再び触媒12に戻され、有効に熱利用可能なようになっている。そして、PSR型改質器20で再生反応により生じた燃焼オフガスは、排出配管106から排出される。   At this time, the catalyst non-supporting portion 12A on the side of the PSR reformer 20 to which combustion gasoline and anode off-gas are supplied is heated in the reforming reaction before the regeneration reaction is started as described above. Heat is returned to the catalyst 12 again by heat exchange with the combustion gasoline and anode off gas supplied during the regeneration reaction, so that heat can be used effectively. The combustion off gas generated by the regeneration reaction in the PSR reformer 20 is discharged from the discharge pipe 106.

上記のPSR型改質器20のように、改質反応から再生反応に切替えた場合、本発明に係る再生反応では、切替時点において噴射装置23、24から噴射される燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスの供給量を、予め設定された目標値よりも少なくし、空燃比が理論空燃比よりもリーンになる条件で燃焼反応を開始した後、徐々に前記供給量を目標値に近づけて燃焼させる。なお、改質反応させているPSR型改質器10が改質反応を終了した後、再び再生反応に切替えられた場合も同様である。   When the reforming reaction is switched to the regeneration reaction as in the PSR reformer 20 described above, in the regeneration reaction according to the present invention, the combustion gasoline and anode off-gas injected from the injectors 23 and 24 at the time of switching are changed. After the supply amount is made smaller than a preset target value and the combustion reaction is started under the condition that the air-fuel ratio becomes leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, the supply amount is gradually brought closer to the target value and burned. The same applies when the PSR reformer 10 undergoing the reforming reaction is switched to the regeneration reaction again after the reforming reaction is completed.

次に、本実施形態に係る燃料電池システムの制御装置100による制御ルーチンのうち、PSR改質装置1を構成するPSR型改質器20を改質反応から再生反応に切替える際、燃焼開始時の空燃比を理論空燃比よりもリーンにして燃焼させ、その後燃焼用ガソリンの供給量を徐増すると共に、さらに燃焼用ガソリンおよび支燃エアの供給側の触媒12の端部近傍の温度が所定値に達したときに噴射装置23からの噴射を停止して噴射装置24のみで燃焼用ガソリンの供給を行なう燃焼制御ルーチンを中心に、図6を参照して説明する。   Next, in the control routine by the control device 100 of the fuel cell system according to the present embodiment, when the PSR reformer 20 constituting the PSR reformer 1 is switched from the reforming reaction to the regeneration reaction, The fuel is burned with the air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and then the supply amount of combustion gasoline is gradually increased, and the temperature in the vicinity of the end of the catalyst 12 on the supply side of combustion gasoline and combustion support air is a predetermined value. An explanation will be made with reference to FIG. 6 focusing on a combustion control routine in which the injection from the injection device 23 is stopped and the gasoline for combustion is supplied only by the injection device 24.

図6は、燃焼制御ルーチンを示すものである。本ルーチンが実行されると、まずステップ100において、改質反応させているPSR型改質器20の触媒温度t1が取り込まれ、次のステップ102において、触媒温度t1が改質可能温度T1以下(t1≦T1)であるか否か、すなわち改質反応を再生反応に切替える必要があるか否かが判断される。 FIG. 6 shows a combustion control routine. When this routine is executed, first, in step 100, the catalyst temperature t 1 of the PSR reformer 20 that is undergoing the reforming reaction is taken in, and in the next step 102, the catalyst temperature t 1 is changed to the reformable temperature T. It is determined whether or not 1 or less (t 1 ≦ T 1 ), that is, whether or not the reforming reaction needs to be switched to the regeneration reaction.

ステップ102において、触媒温度t1が改質可能温度T1以下であると判断されたときには、改質反応を再生反応に切替える必要があるので、ステップ104において、切替装置40並びに三方バルブV1およびバルブV2〜V5を切替える。 When it is determined in step 102 that the catalyst temperature t 1 is equal to or lower than the reformable temperature T 1, it is necessary to switch the reforming reaction to the regeneration reaction. Therefore, in step 104, the switching device 40, the three-way valve V1, and the valve V2 to V5 are switched.

具体的には、切替装置40の可動部43により、図3−(b)に示す経路から図3−(a)に示す経路に切替え、燃料供給管104と供給配管102、エア供給管121と供給配管113をそれぞれ連通させると共に、バルブV2およびバルブV5を開きバルブV3およびバルブV4を閉じて、排出配管117と水素供給管119、供給配管113および配管123をそれぞれ連通させ、さらに三方バルブV1を切替えて、エア供給管116と供給配管115を連通させることにより、既述のように、PSR型改質器20では改質反応から切替えられた再生反応が、PSR型改質器10では再生反応から切替えられた改質反応が行なわれる。   Specifically, the movable unit 43 of the switching device 40 switches from the path shown in FIG. 3B to the path shown in FIG. 3-A, and the fuel supply pipe 104, the supply pipe 102, and the air supply pipe 121 The supply pipe 113 is connected to each other, the valve V2 and the valve V5 are opened, the valve V3 and the valve V4 are closed, the discharge pipe 117 and the hydrogen supply pipe 119, the supply pipe 113 and the pipe 123 are connected to each other, and the three-way valve V1 is connected. By switching and connecting the air supply pipe 116 and the supply pipe 115, the regeneration reaction switched from the reforming reaction in the PSR reformer 20, and the regeneration reaction in the PSR reformer 10, as described above. The reforming reaction switched from is performed.

なお、ステップ102において、触媒温度t1が改質可能温度T1を未だ超えていると判断されたときには、改質反応させて水素を改質生成可能な温度が維持されているので、再生反応に切替えずに本ルーチンを終了する。 When it is determined in step 102 that the catalyst temperature t 1 still exceeds the reformable temperature T 1 , the reforming reaction is performed and the temperature at which hydrogen can be reformed is maintained. This routine is terminated without switching to.

次に、ステップ106において、PSR型改質器20に対し、燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスの総供給量を目標値よりも少なくして燃焼開始時の空燃比(ガソリンおよびアノードオフガスの総量/酸素量)が理論空燃比よりもリーンになるようにポンプP2を駆動し、燃焼用ガソリンの供給を開始すると共に、ステップ108において、ポンプP3を駆動して目標値となる量の支燃エアの供給を開始する。これにより、理論空燃比に満たないリーンな状態で再生反応が開始される。このとき、PSR型改質器10には、ポンプP1の駆動により、ガソリンおよび水蒸気の混合ガスが供給され、改質反応が開始されている。   Next, at step 106, the total supply amount of combustion gasoline and anode off-gas is made smaller than the target value for the PSR reformer 20, and the air-fuel ratio at the start of combustion (total amount of gasoline and anode off-gas / oxygen amount). ) Is driven so that the air-fuel ratio becomes leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and the supply of combustion gasoline is started, and in step 108, the pump P3 is driven to supply a target amount of combustion support air. Start. As a result, the regeneration reaction is started in a lean state that is less than the stoichiometric air-fuel ratio. At this time, the PSR reformer 10 is supplied with a mixed gas of gasoline and water vapor by driving the pump P1, and the reforming reaction is started.

この場合、ガソリンをはじめ液状燃料を用いると、液状燃料は供給時の分散性に劣るため、液状燃料を1点から噴射する態様では、燃料が局部的に存在しやすく、局部的に存在する燃料近傍のみで燃焼反応が極めて急速に進行し、図7に示すように触媒が改質機能を損なう触媒損傷限界温度を超えて昇温し、必要以上に高温となる。このとき、高温の触媒部位は触媒劣化を伴なって改質機能の低下を来たす一方、他の触媒部位では燃料の改質反応を開始できる改質可能温度に到達し得ない。ここで、上記の改質可能温度と触媒損傷限界温度との間の温度範囲が再生反応時に保持すべき望ましい範囲である。   In this case, when liquid fuel such as gasoline is used, the liquid fuel is inferior in dispersibility at the time of supply. Therefore, in the aspect in which the liquid fuel is injected from one point, the fuel tends to exist locally and the fuel exists locally. The combustion reaction proceeds very rapidly only in the vicinity, and as shown in FIG. 7, the temperature of the catalyst exceeds the critical temperature for damage of the catalyst that impairs the reforming function, and the temperature becomes higher than necessary. At this time, while the high-temperature catalyst part deteriorates the reforming function with catalyst deterioration, the other catalyst parts cannot reach the reformable temperature at which the fuel reforming reaction can be started. Here, the temperature range between the reformable temperature and the catalyst damage limit temperature is a desirable range to be maintained during the regeneration reaction.

上記を踏まえ、本発明においては、供給されるガソリンおよびアノードオフガスの総量を、理論空燃比が成立する目標量よりも少なくして燃焼反応時の空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるように制御するので、触媒を改質可能温度と触媒損傷限界温度との間の改質可能温度に再生し得、触媒劣化を来たすこともない。また、2点から噴射する形態に構成し、ガソリンの分散供給を高めることで、供給されるガソリンおよびアノードオフガスの総量を少なくしながら、図8に示すように、均一な温度分布を短時間で得ることができる。   Based on the above, in the present invention, the total amount of gasoline and anode off-gas to be supplied is made smaller than the target amount at which the stoichiometric air-fuel ratio is established, so that the air-fuel ratio at the time of combustion reaction is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Since the control is performed, the catalyst can be regenerated to a reformable temperature between the reformable temperature and the catalyst damage limit temperature, and the catalyst does not deteriorate. In addition, it is configured to inject from two points, and by increasing the distributed supply of gasoline, a uniform temperature distribution can be achieved in a short time as shown in FIG. 8 while reducing the total amount of gasoline and anode off-gas supplied. Obtainable.

次に、ステップ110において、PSR型改質器20の燃焼用ガソリンおよび支燃エアの供給側の触媒端部近傍の器壁に、触媒温度の検出が可能なように取り付けられた温度センサ30により検出された触媒温度t2を取り込み、次のステップ112において、触媒温度t2が改質開始温度T2以上であるか否かが判断される。 Next, in step 110, a temperature sensor 30 attached to the wall of the PSR reformer 20 near the end of the catalyst on the supply side of the combustion gasoline and combustion support air so that the catalyst temperature can be detected. The detected catalyst temperature t 2 is taken in, and in the next step 112, it is determined whether or not the catalyst temperature t 2 is equal to or higher than the reforming start temperature T 2 .

ステップ112において、触媒温度t2が改質開始温度T2以上であると判断されたときには、PSR型改質器20の触媒12は改質可能な略均一の温度にまで再生されているので、ステップ114において、一定時間バルブV7を閉じて噴射装置23からの供給を停止し、噴射装置24のみから集中して燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスを供給する。 When it is determined in step 112 that the catalyst temperature t 2 is equal to or higher than the reforming start temperature T 2 , the catalyst 12 of the PSR reformer 20 has been regenerated to a substantially uniform temperature that can be reformed. In step 114, the valve V7 is closed for a certain period of time to stop the supply from the injector 23, and the combustion gasoline and anode off gas are supplied from only the injector 24.

ガソリン等に含まれる硫黄その他の触媒被毒成分は、改質用原料の供給側に位置する触媒上に集中して堆積しやすいため、本実施形態のように、燃焼用ガソリン等の燃焼用燃料の供給側に位置する触媒12が改質可能な改質開始温度T2にまで到達したときには、図7に示すような異常昇温を来たさないように、改質用原料の供給側の噴射装置24のみから供給を行なうようにし、図9に示すように、被毒成分の堆積量が多い部位の触媒温度が高くなるように制御するので、堆積した被毒成分を燃焼除去することができる。 Sulfur and other catalyst poisoning components contained in gasoline and the like are likely to be concentrated and deposited on the catalyst located on the reforming raw material supply side. Therefore, as in this embodiment, combustion fuel such as gasoline for combustion is used. When the catalyst 12 located on the supply side reaches the reforming start temperature T 2 at which reforming can be performed, the reforming raw material supply side is prevented so as not to cause an abnormal temperature rise as shown in FIG. The supply is performed only from the injection device 24, and as shown in FIG. 9, control is performed so that the catalyst temperature at the portion where the accumulation amount of poisoning components is large is raised, so that the accumulated poisoning components can be removed by combustion. it can.

上記のステップにて燃焼用ガソリンおよび支燃エアの供給を開始した後、ステップ116では、ポンプP2の駆動を徐々に高めて燃焼用ガソリンの供給量をアップし、徐々に目標量に近づける。   After the supply of combustion gasoline and combustion support air is started in the above step, in step 116, the drive of the pump P2 is gradually increased to increase the supply amount of combustion gasoline and gradually approach the target amount.

なお、ステップ112において、触媒温度t2が改質開始温度T2未満であると判断されたときには、PSR型改質器20の触媒12は未だ改質可能な略均一の温度にまで再生されていないので、そのままステップ116に移行する。 When it is determined in step 112 that the catalyst temperature t 2 is lower than the reforming start temperature T 2 , the catalyst 12 of the PSR reformer 20 is still regenerated to a substantially uniform temperature that can be reformed. Since there is not, it proceeds to step 116 as it is.

そして、次のステップ118において、燃焼用ガソリンの供給量pが目標値P未満であるか否かが判断され、供給量pが目標値P未満であると判断されたときには、ステップ110に戻って、再度触媒温度t2が改質開始温度T2以上であるか否かが判断された後に、供給量pが目標値Pに達するまで燃焼用ガソリンの供給量を更にアップする。 Then, in the next step 118, it is determined whether or not the supply amount p of combustion gasoline is less than the target value P. If it is determined that the supply amount p is less than the target value P, the process returns to step 110. After determining again whether the catalyst temperature t 2 is equal to or higher than the reforming start temperature T 2 , the supply amount of combustion gasoline is further increased until the supply amount p reaches the target value P.

ステップ118において、供給量pが目標値Pに達したと判断されたときには、本ルーチンを終了する。   When it is determined in step 118 that the supply amount p has reached the target value P, this routine ends.

上記のように、改質反応から燃焼反応に切替える際、燃焼開始時からの燃料量/酸素量(空燃比)を理論空燃比よりもリーンの状態にするために、燃焼に用いるエアの供給量を増やすのではなく、燃焼用燃料の供給量を所定の目標量よりも減らすようにするので、供給されるエアとの熱交換により触媒温度が大きく低下するのを防止しながら、触媒の異常昇温を効果的に回避することができ、熱の利用効率を保持しながら触媒劣化に伴なう改質機能の低下を効果的に防止することができる。そのため、耐久性能が向上する。   As described above, when switching from the reforming reaction to the combustion reaction, the supply amount of air used for combustion in order to make the fuel amount / oxygen amount (air-fuel ratio) from the start of combustion leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. The amount of combustion fuel supplied is reduced below a predetermined target amount, so that the catalyst temperature does not drop significantly due to heat exchange with the supplied air. The temperature can be effectively avoided, and the reforming function can be effectively prevented from being lowered due to catalyst deterioration while maintaining the heat utilization efficiency. Therefore, durability performance improves.

ここでは、PSR改質器20において改質反応から切替えて再生反応させる場合を説明したが、上記のように切替装置40およびバルブV1〜V5の切替により、PSR改質器10での改質反応を再生反応に切替える場合についても同様である。   Although the case where the regeneration reaction is switched from the reforming reaction in the PSR reformer 20 has been described here, the reforming reaction in the PSR reformer 10 is performed by switching the switching device 40 and the valves V1 to V5 as described above. The same applies when switching to a regeneration reaction.

上記した燃焼制御ルーチンでは、ステップ112における噴射装置23の噴射の停止は、図6に示すように、切替え後の触媒温度t2が所定温度(改質開始温度T2)に到達したと判定されたときに行なうようにしたが、図10に示すように、ステップ210において、ステップ204での改質反応から再生反応への切替えから経過した経過時間tを積算、取得し、次のステップ212において、取得した経過時間tが予め定めた基準時間Tに達しているか否かを判断して行なうようにしてもよい。図10は、PSR型改質器20を改質反応から再生反応に切替える際、燃焼開始時の空燃比を理論空燃比よりもリーンにして燃焼させ、その後燃焼用ガソリンの供給量を徐増すると共に、切替え後所定の時間が経過したときに噴射装置23からの噴射を停止して噴射装置24のみで燃焼用ガソリンの供給を行なう燃焼制御ルーチンを示すものである。 In the combustion control routine described above, the stop of the injection of the injection device 23 in step 112 is determined that the switched catalyst temperature t 2 has reached a predetermined temperature (reforming start temperature T 2 ) as shown in FIG. As shown in FIG. 10, in step 210, the elapsed time t that has elapsed since the switching from the reforming reaction to the regeneration reaction in step 204 is integrated and acquired, and in the next step 212, as shown in FIG. Alternatively, it may be determined by determining whether or not the acquired elapsed time t has reached a predetermined reference time T. FIG. 10 shows that when the PSR reformer 20 is switched from the reforming reaction to the regeneration reaction, combustion is performed with the air-fuel ratio at the start of combustion leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and then the supply amount of combustion gasoline is gradually increased. In addition, a combustion control routine for stopping the injection from the injection device 23 and supplying the combustion gasoline only by the injection device 24 when a predetermined time elapses after switching is shown.

この燃焼制御ルーチンでは、ステップ212において、経過時間tが基準時間Tに達したと判定されたときには、一定時間バルブV7を閉じて噴射装置23からの供給を停止し、噴射装置24のみから集中して燃焼用ガソリンおよびアノードオフガスを供給する。なお、図10中のステップ200〜ステップ208並びにステップ216〜ステップ218は、図6中のステップ100〜ステップ108並びにステップ116〜ステップ118と各々同様である。   In this combustion control routine, when it is determined in step 212 that the elapsed time t has reached the reference time T, the valve V7 is closed for a certain period of time to stop the supply from the injection device 23 and concentrate only from the injection device 24. To supply gasoline for combustion and anode off-gas. Note that Step 200 to Step 208 and Step 216 to Step 218 in FIG. 10 are the same as Step 100 to Step 108 and Step 116 to Step 118 in FIG.

上記の本実施形態では、改質用原料として供給する改質用ガソリンと再生反応時の燃焼用に供給するガソリン(燃焼用ガソリン)を別経路で供給する場合を説明したが、改質用ガソリン及び燃焼用ガソリンを同一経路で供給する態様に構成することも可能である。   In the above-described embodiment, the case where the reforming gasoline supplied as the reforming raw material and the gasoline supplied for combustion during the regeneration reaction (combustion gasoline) are supplied through different paths has been described. It is also possible to configure such that the gasoline for combustion is supplied by the same route.

また、改質反応と再生反応とを交互に行なう一対のPSR型改質器からなるPSR改質装置で構成された場合を例に説明したが、PSR改質装置が二対以上のPSR型改質器を用いて構成されている場合も同様である。   In addition, the case where the PSR reformer is composed of a pair of PSR reformers that alternately perform the reforming reaction and the regeneration reaction has been described as an example. However, the PSR reformer has two or more pairs of PSR reformers. The same applies to the case of using a mass device.

上記の実施形態において、触媒を補助的に加熱するための加熱器として電気ヒータや電気加熱型触媒等を設けるのが効果的である。これにより、既述のように改質反応から燃焼反応に切替える際、燃焼用燃料であるガソリンの供給量を少なくして燃焼反応時の空燃比がリーンとなる状態を形成した場合に、着火性が低下するのを回避し、燃焼反応性を確保することができる。また、改質反応と再生反応との切替周期を短周期にする場合にも有効である。具体的には、図11〜図12に示すような形態に構成することができる。   In the above embodiment, it is effective to provide an electric heater, an electric heating type catalyst, or the like as a heater for auxiliary heating of the catalyst. As a result, when switching from the reforming reaction to the combustion reaction as described above, if the supply amount of gasoline as the combustion fuel is reduced and the air-fuel ratio at the time of the combustion reaction becomes lean, the ignitability is increased. Can be prevented and combustion reactivity can be secured. It is also effective when the switching cycle between the reforming reaction and the regeneration reaction is made short. Specifically, it can be configured as shown in FIGS.

図11は、PSR型改質器に内装された触媒12の燃焼用燃料(燃焼用ガソリン等および支燃エア)供給側の端部に、電気加熱型触媒(EHC:Electrical heated catalyst)31を設けて構成した例である。触媒自体を加熱するようにするので、再生反応をより短時間に行ない、燃焼反応性を確保することができる。   In FIG. 11, an electrically heated catalyst (EHC) 31 is provided at the end of the catalyst 12 incorporated in the PSR reformer on the combustion fuel (combustion gasoline etc. and combustion support air) supply side. This is an example configured. Since the catalyst itself is heated, the regeneration reaction can be performed in a shorter time and the combustion reactivity can be ensured.

図12は、対をなす二つのPSR型改質器において、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に、電気加熱型触媒(EHC)32と、これを挟む既述の金属を用いた触媒12と、EHC32および触媒12を更に挟むように設けられた電気加熱型触媒(EHC)31とが担持され、触媒12近傍に更に、触媒12を加熱するための図示しない電気ヒータを設けて構成した例である。改質反応させるときには、EHC32と共にガソリン(改質用原料)供給側のEHC31で加熱され、再生反応させるときには、EHC32と共に燃焼用燃料(燃焼用ガソリン等および支燃エア)供給側のEHC31で加熱され、反応時に蓄熱量が不足したときには電気ヒータで触媒12を加熱できるようになっている。触媒自体を加熱するようにするので、再生反応をより短時間に行ない、燃焼反応性を確保することができる。   FIG. 12 shows a pair of PSR reformers that form a pair, in the curved surface of the cylindrical body wall, in the vicinity of the center of the cylinder from both ends in the longitudinal direction of the cylindrical body toward the in-cylinder direction. EHC) 32, the catalyst 12 using the above-described metal sandwiching the EHC) 32, and an electrically heated catalyst (EHC) 31 provided so as to sandwich the EHC 32 and the catalyst 12 are supported. This is an example in which an electric heater (not shown) for heating the catalyst 12 is provided. When the reforming reaction is performed, the EHC 32 is heated by the EHC 31 on the gasoline (reforming raw material) supply side, and when the regeneration reaction is performed, the EHC 32 is heated by the EHC 31 on the combustion fuel (combustion gasoline etc. and combustion support air) supply side. When the amount of stored heat is insufficient during the reaction, the catalyst 12 can be heated with an electric heater. Since the catalyst itself is heated, the regeneration reaction can be performed in a shorter time and the combustion reactivity can be ensured.

図13は、PSR型改質器を構成する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に、既述の金属を用いた触媒12と電気加熱型触媒(EHC)31とを、各々複数本交互に並べて束状に構成した例である。この場合、EHCの各々を電気的に選択して加熱を行なうことが可能であり、熱量の不足する触媒を選択的に加熱することができる。再生反応をより短時間に行ない、燃焼反応性を確保するのに効果的である。   FIG. 13 shows the catalyst 12 using the above-mentioned metal in the vicinity of the center of the cylinder from the both ends in the length direction of the cylindrical body toward the in-cylinder direction among the curved surfaces of the cylindrical body wall constituting the PSR reformer. And a plurality of electrically heated catalysts (EHC) 31 are alternately arranged in a bundle. In this case, each EHC can be electrically selected and heated, and the catalyst having a shortage of heat can be selectively heated. It is effective to perform the regeneration reaction in a shorter time and ensure combustion reactivity.

なお、電気ヒータや電気加熱型触媒(EHC)等を設ける場合、触媒を担持して設けられた担持部のうち、最も高温となる部位に選択的に設けることが効果的である。つまり、改質反応は、最高温度の部位で最も迅速に進行、すなわち温度にリニアに変化せずに、高温になると急激に反応が進行するので、加熱による反応向上効果が低い領域の加熱を減らして加熱を行なう構成とすることにより、熱エネルギー効率が高められる。   In the case where an electric heater, an electric heating type catalyst (EHC), or the like is provided, it is effective to selectively provide it at a portion having the highest temperature among the supporting portions provided to support the catalyst. In other words, the reforming reaction proceeds most rapidly at the highest temperature site, i.e., it does not change linearly with temperature, but proceeds rapidly at higher temperatures. Therefore, the heat energy efficiency can be improved.

上記の実施形態では、図14−(a)に示すように、燃焼用燃料である燃焼用ガソリン(アノードオフガスを含む)および支燃エアの両方の供給をPSR型改質器の一方の側から供給するようにした場合を説明したが、これら以外に、図14−(b)〜(d)に示すような態様に構成することもできる。   In the above embodiment, as shown in FIG. 14- (a), supply of both combustion gasoline (including anode off-gas) as combustion fuel and combustion support air is performed from one side of the PSR reformer. Although the case where it was made to supply was demonstrated, it can also comprise in the aspect as shown to FIGS. 14- (b)-(d) besides these.

図14−(b)は、燃焼用ガソリン(アノードオフガスを含む)と支燃エアとをPSR型改質器の両端から逆向きに噴射し、改質器中央部で燃焼反応させるように構成した例である。この構成によれば、触媒12の担持部中央付近で最も高温となる山型温度分布を形成し得、改質反応に要する蓄熱量を確保するうえで有効であり、また、再生反応時に生じやすい逆火をも効果的に防止することができる。   FIG. 14- (b) is configured to inject combustion gasoline (including anode off gas) and combustion support air in opposite directions from both ends of the PSR reformer, and cause a combustion reaction at the center of the reformer. It is an example. According to this configuration, it is possible to form a mountain-shaped temperature distribution that is the highest temperature near the center of the support portion of the catalyst 12, and is effective in securing the heat storage amount required for the reforming reaction, and is likely to occur during the regeneration reaction. Backfire can be effectively prevented.

図14−(c)は、PSR型改質器の長手方向の中央付近において、器内で互いに対向する位置関係にある壁面に噴射装置を取付け、一方から噴射される燃焼用ガソリン(アノードオフガスを含む)と他方から噴射される支燃エアとの噴射方向が互いに略逆向きとなるようにし、噴射直後、つまり噴射口近傍で両者が接触しないように構成した例である。この構成によっても、再生反応時に生じやすい逆火を防止することができる。   FIG. 14- (c) shows an example in which an injection device is attached to the wall surfaces facing each other in the vicinity of the center in the longitudinal direction of the PSR reformer, and combustion gasoline (anode off gas is injected from one side). In this example, the injection directions of the combustion support air injected from the other and the combustion support air injected from the other are substantially opposite to each other, so that they do not contact each other immediately after injection, that is, in the vicinity of the injection port. Also with this configuration, it is possible to prevent backfire that tends to occur during the regeneration reaction.

図14−(d)は、PSR型改質器において、供給される燃焼用ガソリン(アノードオフガスを含む)および支燃エアの一方の噴射位置を、他方の噴射位置よりも下流側として構成した例である。この構成によっても、再生反応時に生じやすい逆火を防止することができる。   FIG. 14- (d) shows an example in which one injection position of supplied combustion gasoline (including anode off-gas) and combustion support air is arranged downstream of the other injection position in the PSR reformer. It is. Also with this configuration, it is possible to prevent backfire that tends to occur during the regeneration reaction.

本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池として、水素透過性金属を用いた緻密な水素透過膜(水素透過性金属層)の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質膜を備えた水素分離膜型燃料電池(プロトン伝導性の固体酸化物型、または固体高分子型のいずれであってもよい。)の中から目的等に応じて選択することができる。   In the fuel cell system of the present invention, as a fuel cell, a hydrogen separation membrane provided with an electrolyte membrane in which an electrolyte layer is laminated on at least one side of a dense hydrogen permeable membrane (hydrogen permeable metal layer) using a hydrogen permeable metal. Type fuel cells (which may be either proton-conductive solid oxide type or solid polymer type) can be selected according to the purpose.

例えば、(1) 水素透過性の金属と該金属の少なくとも片側に成膜された無機電解質層(特にプロトン伝導性のセラミックス)とを有する電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられた水素極および該水素極に発電用燃料を供給する燃料供給部と、電解質膜の他方の面に設けられた酸素極および該酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部とで構成された水素分離膜型燃料電池、または(2) プロトン伝導性の電解質層と該電解質層を両側から挟む水素透過性金属とを有する電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられた水素極および該水素極に発電用燃料を供給する燃料供給部と、電解質膜の他方の面に設けられた酸素極および該酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部とで構成された固体高分子型の水素分離膜型燃料電池、等を好適に用いることができる。   For example, (1) an electrolyte membrane having a hydrogen permeable metal and an inorganic electrolyte layer (especially proton conductive ceramics) formed on at least one side of the metal, and hydrogen provided on one surface of the electrolyte membrane A fuel supply part for supplying power generation fuel to the electrode and the hydrogen electrode, an oxygen electrode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and an oxidant gas supply part for supplying an oxidant gas to the oxygen electrode Hydrogen separation membrane fuel cell, or (2) an electrolyte membrane having a proton conductive electrolyte layer and a hydrogen permeable metal sandwiching the electrolyte layer from both sides, a hydrogen electrode provided on one surface of the electrolyte membrane, and the A solid polymer comprising a fuel supply unit for supplying power generation fuel to the hydrogen electrode, an oxygen electrode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and an oxidant gas supply unit for supplying an oxidant gas to the oxygen electrode Type hydrogen separation membrane fuel cell, etc. It can be used to apply.

図15〜図16に本発明の燃料電池システムを構成する水素分離膜型燃料電池の他の具体例を挙げる。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。   15 to 16 show other specific examples of the hydrogen separation membrane fuel cell constituting the fuel cell system of the present invention. For details about other specific examples, reference can be made to the description in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-146337.

図15は、バナジウム(V)で形成された緻密な基材66を含む5層構造の電解質膜61と、電解質膜61を狭持する酸素極(O2極)62および水素極(H2極)63とで構成され、金属拡散抑制層および反応抑制層を備えた水素分離膜型燃料電池60を示したものである。電解質膜61は、基材66の水素極(アノード)63側の面に該面側から順に緻密体の金属拡散抑制層67とパラジウム(Pd)層68とを備え、基材66の酸素極(カソード)62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)65と、固体酸化物からなる薄層の電解質層(例えばペロブスカイトの1つである金属酸化物SrCeO3層など)64とを備えている。反応抑制層65は、電解質層64中の酸素原子と基材(V)66との反応を抑制する機能を担うものである。なお、酸素極または水素極と電解質膜との間には上記同様に、各々エア流路59a、燃料流路59bが形成されている。金属拡散抑制層および反応抑制層の詳細については既述の通りである。 FIG. 15 shows an electrolyte membrane 61 having a five-layer structure including a dense substrate 66 formed of vanadium (V), an oxygen electrode (O 2 electrode) 62 and a hydrogen electrode (H 2 electrode) sandwiching the electrolyte membrane 61. ) 63 and a hydrogen separation membrane fuel cell 60 provided with a metal diffusion suppression layer and a reaction suppression layer. The electrolyte membrane 61 is provided with a dense metal diffusion suppression layer 67 and a palladium (Pd) layer 68 in this order from the surface side of the base electrode 66 on the hydrogen electrode (anode) 63 side. On the surface of the cathode 62 side, a dense reaction suppression layer (for example, a proton conductor, mixed conductor, or insulator layer) 65 and a thin electrolyte layer (for example, a perovskite layer) made of a solid oxide are sequentially formed from the surface side. One metal oxide SrCeO 3 layer, etc.) 64. The reaction suppression layer 65 has a function of suppressing the reaction between oxygen atoms in the electrolyte layer 64 and the base material (V) 66. In the same manner as described above, an air channel 59a and a fuel channel 59b are formed between the oxygen electrode or hydrogen electrode and the electrolyte membrane. Details of the metal diffusion suppression layer and the reaction suppression layer are as described above.

図16は、水素透過性金属を用いた緻密な水素透過層を有する電解質膜71と、電解質膜71を狭持する酸素極(O2極)72および水素極(H2極)73とで構成された固体高分子型の水素分離膜型燃料電池70を示したものである。電解質膜71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層76の両側の面を、水素透過性の緻密な金属層で挟んだ多層構造となっており、電解質層76の水素極(アノード)側の面にパラジウム(Pd)層(緻密層)77を備え、電解質層76の酸素極(カソード)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(緻密層)75とPd層(緻密層)74とを備えている。なお、酸素極または水素極と電解質膜71との間には上記同様に、各々エア流路59a、燃料流路59bが形成されている。本燃料電池においてもまた、V−Ni層75とPd層74との間には金属拡散抑制層を設けることができ、V−Ni層75またはPd層77と電解質層76との間には反応抑制層を設けることができる。 FIG. 16 includes an electrolyte membrane 71 having a dense hydrogen permeable layer using a hydrogen permeable metal, and an oxygen electrode (O 2 electrode) 72 and a hydrogen electrode (H 2 electrode) 73 sandwiching the electrolyte membrane 71. The solid polymer type hydrogen separation membrane fuel cell 70 is shown. The electrolyte membrane 71 has, for example, a multilayer structure in which the surfaces on both sides of an electrolyte layer 76 made of a solid polymer membrane such as a Nafion (registered trademark) membrane are sandwiched between dense hydrogen permeable metal layers. A palladium (Pd) layer (dense layer) 77 is provided on the hydrogen electrode (anode) side surface of 76, and a vanadium-nickel serving as a base material in order from the surface side on the oxygen electrode (cathode) side surface of the electrolyte layer 76. An alloy (V—Ni) layer (dense layer) 75 and a Pd layer (dense layer) 74 are provided. As described above, an air channel 59a and a fuel channel 59b are formed between the oxygen electrode or hydrogen electrode and the electrolyte membrane 71, respectively. Also in the present fuel cell, a metal diffusion suppression layer can be provided between the V-Ni layer 75 and the Pd layer 74, and a reaction occurs between the V-Ni layer 75 or the Pd layer 77 and the electrolyte layer 76. A suppression layer can be provided.

図16に示す固体高分子型の燃料電池では、含水電解質層を挟むようにして水素透過性金属を用いた水素透過層が形成された構成とすることにより、高温での電解質層の水分蒸発およ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. 16, the hydrogen permeable layer using a hydrogen permeable metal is formed so as to sandwich the hydrous electrolyte layer, so that the moisture evaporation and membrane resistance of the electrolyte layer at 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.

上記の実施形態では、改質用原料としてガソリンおよび水蒸気の混合ガス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である。   In the above embodiment, the case where a mixed gas of gasoline and water vapor is used as the reforming raw material has been described, but the same applies to the case where a hydrocarbon fuel other than gasoline is used.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るPSR型改質器の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the PSR type reformer which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る切替装置を用いて接続状態を切替えるところを説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the place which switches a connection state using the switching apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る水素分離膜型燃料電池(HMFC)を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a hydrogen separation membrane fuel cell (HMFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る制御装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るPSR型改質器を改質反応から再生反応に切替える際の燃焼制御ルーチンを示す流れ図である。It is a flowchart which shows the combustion control routine at the time of switching the PSR type | mold reformer which concerns on embodiment of this invention from a reforming reaction to a regeneration reaction. 燃焼反応時に触媒温度が異常昇温を起こす従来の再生反応における器内温度分布を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the temperature distribution in a container in the conventional reproduction | regeneration reaction in which a catalyst temperature raises abnormal temperature rise at the time of a combustion reaction. 理論空燃比よりもリーンにすると共に2点から噴射して燃焼させたときの器内温度分布を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the internal temperature distribution when making it lean rather than a theoretical air fuel ratio, and injecting and burning from 2 points | pieces. 図8の2点の一方の噴射量を他方より多くして燃焼させたときの器内温度分布を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the internal temperature distribution when it burns by making one injection amount of 2 points | pieces of FIG. 8 larger than the other. PSR型改質器を改質反応から再生反応に切替える際の燃焼制御ルーチンの他の例を示す流れ図である。6 is a flowchart showing another example of a combustion control routine when a PSR reformer is switched from a reforming reaction to a regeneration reaction. 触媒の燃焼用燃料供給側の端部に電気加熱型触媒を設けた構成例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structural example which provided the electrically heated catalyst in the edge part by the side of the fuel supply for combustion of a catalyst. 触媒に電気加熱型触媒を設けた他の構成例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the other structural example which provided the electrically heated catalyst in the catalyst. 触媒に電気加熱型触媒を設けた他の構成例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the other structural example which provided the electrically heated catalyst in the catalyst. 燃焼反応時に供給する燃焼用ガソリンおよび支燃エアの供給形態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the supply form of the combustion gasoline and combustion support air supplied at the time of a combustion reaction. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池の他の具体例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other specific example of the fuel cell which comprises the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池の他の具体例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other specific example of the fuel cell which comprises the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…PSR改質装置
10,20…PSR型改質器
12…触媒(触媒担持部)
15,16,17,18,21,22,23,24…噴射装置
30,60,70…水素分離膜型燃料電池
40…切替装置
51…電解質膜
52…酸素極
53…水素極
59a…エア流路
59b…燃料流路
100…制御装置
V1〜V7…バルブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... PSR reformer 10, 20 ... PSR reformer 12 ... Catalyst (catalyst carrying part)
15, 16, 17, 18, 21, 22, 23, 24 ... injectors 30, 60, 70 ... hydrogen separation membrane fuel cell 40 ... switching device 51 ... electrolyte membrane 52 ... oxygen electrode 53 ... hydrogen electrode 59a ... air flow Path 59b ... Fuel flow path 100 ... Control devices V1-V7 ... Valve

Claims (14)

触媒を備え、燃料と水蒸気とを含む改質用原料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を改質反応させ、発熱用燃料が供給されたときには該発熱用燃料を発熱反応させて前記触媒を加熱するように、前記改質反応と前記発熱反応とを切替えて行なう少なくとも1基の改質反応器と、
前記改質反応器に前記発熱用燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質反応から前記発熱反応に切替える際に、発熱反応時の空燃比が理論空燃比よりもリーンになるように、前記燃料供給手段からの前記発熱用燃料の供給量を所定の目標量よりも少なくする燃焼制御手段と、
を備えた水素生成装置。
When a reforming material comprising a catalyst and containing fuel and water vapor is supplied, the reforming material is subjected to a reforming reaction on the heated catalyst, and when the heat generating fuel is supplied, the heat generating fuel is At least one reforming reactor that switches between the reforming reaction and the exothermic reaction so as to heat the catalyst by causing an exothermic reaction;
Fuel supply means for supplying the exothermic fuel to the reforming reactor;
When switching from the reforming reaction to the exothermic reaction, the supply amount of the exothermic fuel from the fuel supply means is made larger than a predetermined target amount so that the air-fuel ratio during the exothermic reaction becomes leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Combustion control means to reduce,
A hydrogen generation apparatus comprising:
前記少なくとも1基の改質反応器は、前記改質反応と前記発熱反応とを交互に切替えて行なう少なくとも一対の改質反応器を含んでなり、前記一対の改質反応器の一方で改質反応させると共に他方で発熱反応させるようにした請求項1に記載の水素生成装置。   The at least one reforming reactor includes at least a pair of reforming reactors that perform switching between the reforming reaction and the exothermic reaction alternately. One of the pair of reforming reactors is reformed. The hydrogen generator according to claim 1, wherein the hydrogen generator is reacted and the other is exothermic. 前記改質反応器への前記改質用原料の供給流路および前記発熱用燃料の供給流路を切替える切替手段を更に備え、前記燃焼制御手段は、前記切替手段により前記供給流路を切替えて改質反応と発熱反応とを切替えるようにした請求項1又は2に記載の水素生成装置。   The fuel cell further comprises switching means for switching the reforming raw material supply flow path to the reforming reactor and the heat generating fuel supply flow path, and the combustion control means switches the supply flow path by the switching means. The hydrogen generator according to claim 1 or 2, wherein the reforming reaction and the exothermic reaction are switched. 前記発熱用燃料を燃焼させる酸素含有ガスを前記改質反応器に供給する酸素供給手段を更に備えると共に、前記改質反応器は、前記発熱反応時に供給された前記発熱用燃料と前記酸素含有ガスとの混合を、器内の少なくとも一部で抑制する隔壁を器内に有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素生成装置。   The apparatus further comprises oxygen supply means for supplying an oxygen-containing gas for burning the exothermic fuel to the reforming reactor, and the reforming reactor includes the exothermic fuel and the oxygen-containing gas supplied during the exothermic reaction. The hydrogen generating apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising a partition wall in the chamber that suppresses mixing with at least a part of the chamber. 前記発熱用燃料を燃焼させる酸素含有ガスを前記改質反応器に供給する酸素供給手段を更に備え、前記発熱反応時には、前記改質反応器の一端から前記発熱用燃料を供給すると共に、他端から前記酸素含有ガスを供給するようにした請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素生成装置。   The apparatus further comprises oxygen supply means for supplying an oxygen-containing gas for burning the exothermic fuel to the reforming reactor, and during the exothermic reaction, the exothermic fuel is supplied from one end of the reforming reactor and the other end The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxygen-containing gas is supplied from a gas generator. 前記改質反応器の前記触媒が担持された触媒担持部に電気加熱器が配設された請求項1〜5のいずれか1項に記載の水素生成装置。   The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 5, wherein an electric heater is disposed on a catalyst supporting portion on which the catalyst of the reforming reactor is supported. 前記燃焼制御手段は、前記燃料供給手段により供給される前記発熱用燃料の濃度を変えて、発熱反応時の空燃比が理論空燃比よりもリーンになるようにした請求項1〜6のいずれか1項に記載の水素生成装置。   The combustion control means changes the concentration of the exothermic fuel supplied by the fuel supply means so that the air-fuel ratio during the exothermic reaction becomes leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. 2. The hydrogen generator according to item 1. 複数の前記燃料供給手段が前記改質反応器に設けられ、前記発熱用燃料を前記改質反応器に複数の部位から供給する請求項1〜7のいずれか1項に記載の水素生成装置。   The hydrogen generating apparatus according to claim 1, wherein a plurality of the fuel supply units are provided in the reforming reactor, and the exothermic fuel is supplied to the reforming reactor from a plurality of portions. 前記複数の燃料供給手段は、発熱反応時に前記改質反応器内を挿通する雰囲気の挿通方向に順次配設されており、
前記燃焼制御手段は、前記改質反応から前記発熱反応への切替え時には、前記複数の燃料供給手段から前記発熱用燃料の供給を行なうと共に、前記切替え後、該切替えから所定時間が経過したと判定されたときには、前記複数の燃料供給手段の一部から前記発熱用燃料の供給を行なう請求項8に記載の水素生成装置。
The plurality of fuel supply means are sequentially arranged in an insertion direction of an atmosphere that passes through the reforming reactor during an exothermic reaction,
The combustion control means supplies the exothermic fuel from the plurality of fuel supply means when switching from the reforming reaction to the exothermic reaction, and determines that a predetermined time has elapsed from the switching after the switching. 9. The hydrogen generation apparatus according to claim 8, wherein when the fuel is generated, the heat generating fuel is supplied from a part of the plurality of fuel supply means.
前記複数の燃料供給手段は、発熱反応時に前記改質反応器内を挿通する雰囲気の挿通方向に順次配設されており、
前記燃焼制御手段は、前記改質反応から前記発熱反応への切替え時には、前記複数の燃料供給手段から前記発熱用燃料の供給を行なうと共に、前記切替え後、前記改質反応器の所定部位が所定温度に到達したと判定されたときには、前記複数の燃料供給手段の一部から前記発熱用燃料の供給を行なう請求項8に記載の水素生成装置。
The plurality of fuel supply means are sequentially arranged in an insertion direction of an atmosphere that passes through the reforming reactor during an exothermic reaction,
The combustion control means supplies the exothermic fuel from the plurality of fuel supply means when switching from the reforming reaction to the exothermic reaction, and after the switching, a predetermined portion of the reforming reactor is predetermined. The hydrogen generator according to claim 8, wherein when it is determined that the temperature has been reached, the fuel for heat generation is supplied from a part of the plurality of fuel supply means.
前記改質反応器は、一端から前記改質用原料が供給されると共に他端から前記発熱用燃料が供給されるように構成され、
前記所定部位は、発熱反応時の前記挿通方向における前記触媒の中央部より上流側の少なくとも一部であり、前記少なくとも一部における触媒が所定温度に到達したと判定されたときには、前記挿通方向における前記中央部より下流側に配設された前記燃料供給手段の少なくとも一つの前記発熱用燃料の供給量を、前記上流側よりも多くするようにした請求項10に記載の水素生成装置。
The reforming reactor is configured such that the reforming raw material is supplied from one end and the exothermic fuel is supplied from the other end,
The predetermined portion is at least a part upstream of the center of the catalyst in the insertion direction during the exothermic reaction, and when it is determined that the catalyst in the at least part has reached a predetermined temperature, The hydrogen generator according to claim 10, wherein a supply amount of at least one of the heat generating fuel of the fuel supply unit disposed downstream of the central portion is made larger than that of the upstream side.
前記切替手段は、前記燃料が少なくとも通過する流路と前記発熱用燃料が通過する流路とを備え、かつ前記一対の改質反応器の各々と繋がる前記供給流路を選択的に切替える流路切替部材を有する請求項3〜11のいずれか1項に記載の水素生成装置。   The switching means includes a flow path through which the fuel passes and a flow path through which the heat generating fuel passes, and a flow path for selectively switching the supply flow path connected to each of the pair of reforming reactors. The hydrogen generator according to claim 3, further comprising a switching member. 請求項1〜12のいずれか1項に記載の水素生成装置と、前記水素生成装置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。   A fuel cell system comprising: the hydrogen generator according to any one of claims 1 to 12; and a fuel cell that generates electric power by supplying a hydrogen-containing gas reformed and generated by the hydrogen generator. 前記燃料電池は、水素透過性金属層の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質を備えた請求項13に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 13, wherein the fuel cell includes an electrolyte in which an electrolyte layer is stacked on at least one side of a hydrogen permeable metal layer.
JP2005106333A 2005-04-01 2005-04-01 Hydrogen production apparatus and fuel cell system Withdrawn JP2006282469A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005106333A JP2006282469A (en) 2005-04-01 2005-04-01 Hydrogen production apparatus and fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005106333A JP2006282469A (en) 2005-04-01 2005-04-01 Hydrogen production apparatus and fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006282469A true JP2006282469A (en) 2006-10-19

Family

ID=37404766

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005106333A Withdrawn JP2006282469A (en) 2005-04-01 2005-04-01 Hydrogen production apparatus and fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006282469A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4664709B2 (en) Hydrogen generator and fuel cell system
JP4906242B2 (en) How to shut down the fuel cell
JP4750374B2 (en) Operation method of fuel cell structure
CA2349369A1 (en) Method for operating a combination partial oxidation and steam reforming fuel processor
JP4656985B2 (en) Hydrogen generator and fuel cell system
JP2006012817A (en) Reformer for fuel cell and fuel cell system comprising the same
US7282085B2 (en) Apparatus for hydrogen separation and fuel cell system
JP4507955B2 (en) Hydrogen generator and fuel cell system
JP2006315921A (en) Hydrogen production system and fuel cell system
JP4271472B2 (en) Hydrogen generator and operation method of hydrogen generator
JP2007169116A (en) Hydrogen generation unit and fuel cell system
JP2007063038A (en) Hydrogen generator and fuel cell system
JP2009087809A (en) Fuel cell
JP2006248811A (en) Hydrogen generator and fuel cell system
JP2006290652A (en) Hydrogen generating apparatus and fuel cell system
JP2006282469A (en) Hydrogen production apparatus and fuel cell system
JP2006282458A (en) Hydrogen generating device and fuel cell system
JP4324304B2 (en) Fuel reformer
JP2007161553A (en) Hydrogen generating apparatus and fuel cell system
JP2006248812A (en) Hydrogen generator and fuel cell system
JP2007045677A (en) Hydrogen production apparatus and fuel cell system
JP2006335588A (en) Hydrogen generation unit and fuel cell system
JP2004265802A (en) Fuel gas generation system for fuel cell
JP2006318870A (en) Fuel cell system and fuel cell
JP2007063037A (en) Hydrogen generator and fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070801

A761 Written withdrawal of application

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761

Effective date: 20090114