JP2006318870A - Fuel cell system and fuel cell - Google Patents
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Abstract
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り替えて行なう改質反応器と燃料電池とを備えた燃料電池システム及びこれに用いられる燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a reforming reactor and a fuel cell which are switched between a fuel reforming reaction using a catalyst and a regeneration reaction for heating and regenerating the catalyst, and a fuel cell used therefor.
従来の電気自動車は、車両駆動用の電源として燃料電池を搭載すると共に、燃料電池を発電運転させるための燃料である水素又は水素生成用の原燃料を搭載している。 A conventional electric vehicle is equipped with a fuel cell as a power source for driving the vehicle, and with hydrogen or a raw fuel for generating hydrogen, which is a fuel for causing the fuel cell to perform a power generation operation.
水素自体を搭載する場合、水素ガスを圧縮して高圧ボンベに若しくは液化してタンクに充填し、又は水素吸蔵合金や水素吸着材料を用いて搭載する。しかし、高圧充填による場合は、容器壁厚が厚く大きいわりに内容積に制限があり水素充填量が少ない。また、液体水素とする液化充填による場合には、気化ロスが避けられないほか液化に多大なエネルギーを要する。更に、水素吸蔵合金や水素吸着材料では電気自動車等に必要とされる水素貯蔵密度が不充分であり、水素の吸蔵/吸着等の制御も困難である。 When the hydrogen itself is mounted, the hydrogen gas is compressed and packed in a high-pressure cylinder or liquefied and filled into a tank, or mounted using a hydrogen storage alloy or a hydrogen adsorbing material. However, in the case of high pressure filling, although the container wall thickness is thick and large, the internal volume is limited and the hydrogen filling amount is small. Further, in the case of liquefaction filling with liquid hydrogen, vaporization loss is unavoidable and a great deal of energy is required for liquefaction. Further, hydrogen storage alloys and hydrogen adsorbing materials have insufficient hydrogen storage density required for electric vehicles and the like, and it is difficult to control hydrogen storage / adsorption.
また、原燃料を搭載する場合、燃料を水蒸気改質して水素を得る方法などがある。しかし、改質反応は吸熱的であるために別途熱源が必要であるため、熱源に電気ヒータ等を用いたシステムでは全体のエネルギー効率の向上は図れない。更に、あらゆる環境条件下で安定的に水素量を確保できる点も不可避である。 In addition, when the raw fuel is mounted, there is a method of obtaining hydrogen by steam reforming the fuel. However, since the reforming reaction is endothermic, a separate heat source is required. Therefore, a system using an electric heater or the like as the heat source cannot improve the overall energy efficiency. Furthermore, it is inevitable that the amount of hydrogen can be stably secured under all environmental conditions.
水素の供給方法については、未だ技術的に確立されていないのが実状であるが、将来的に各種装置における水素利用の増加が予測されることを踏まえると、水素の供給方法の確立が急務とされている。 The actual hydrogen supply method has not yet been established technically, but it is an urgent need to establish a hydrogen supply method in light of the anticipated increase in hydrogen utilization in various devices in the future. Has been.
上記に関連する技術として、触媒を用いて、吸熱反応である燃料の改質反応と、改質反応で低下した触媒温度を再生する発熱反応(再生反応)と、を切り替えて繰り返し行なう改質装置を有する燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 As a technology related to the above, a reformer that uses a catalyst to repeatedly switch between an endothermic fuel reforming reaction and an exothermic reaction (regeneration reaction) that regenerates the catalyst temperature decreased by the reforming reaction. Has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
このような燃料電池システムを用いる場合、一対の反応器を用いて交互に改質反応と発熱反応とを行い、水素ガスを連続的に供給することが行われている。しかし、このようなシステムでは、反応器を改質/発熱反応を切り替える際、燃料電池に供給される水素ガスの水素濃度が低下したり、発熱反応の際に用いられるエアーが、燃料電池に供給される水素ガス中に混入したり、急激な圧力変動が生じる等の種々の問題がある。 When such a fuel cell system is used, a reforming reaction and an exothermic reaction are alternately performed using a pair of reactors, and hydrogen gas is continuously supplied. However, in such a system, when the reforming / exothermic reaction of the reactor is switched, the hydrogen concentration of the hydrogen gas supplied to the fuel cell decreases or the air used for the exothermic reaction is supplied to the fuel cell. There are various problems such as being mixed in the generated hydrogen gas and sudden pressure fluctuations.
また、高温域で発電運転を行なう燃料電池の例として、水素透過性材料を用いた燃料電池が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。上記以外にも、これに関連する技術か種々開示されている(例えば、特許文献3〜5参照。)。
以上のように、改質反応と再生反応(発熱反応)とを切り替えて水素を改質生成する改質装置を用いた燃料電池システムについて提案されているものの、反応切り替え時における上述の諸問題を解決する技術については未だ提案されていないのが現状である。 As described above, although a fuel cell system using a reformer that reforms and generates hydrogen by switching between a reforming reaction and a regeneration reaction (exothermic reaction) has been proposed, the above-described problems at the time of reaction switching are not solved. At present, no technology to solve has been proposed.
本発明は、安定して電力を供給することのできる燃料電池システム及びこれに用いられる燃料電池を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the fuel cell system which can supply electric power stably, and the fuel cell used for this.
本発明は、吸熱反応である改質用原料と改質用ガスとの水蒸気改質反応と、水蒸気改質反応により低下した触媒温度を回復させ触媒上での改質反応性を再生するための発熱用原料と発熱用ガスとの発熱反応(以下、「再生反応」ともいう。)と、を切り替えて繰り返す水素生成装置及びこれを用いた燃料電池に関するものである。尚、前記発熱反応には、燃焼反応等が含まれる。 The present invention provides a steam reforming reaction between a reforming raw material and a reforming gas, which is an endothermic reaction, and recovers the catalyst temperature lowered by the steam reforming reaction to regenerate the reforming reactivity on the catalyst. The present invention relates to a hydrogen generation apparatus that repeatedly switches and repeats an exothermic reaction between an exothermic raw material and an exothermic gas (hereinafter also referred to as “regeneration reaction”) and a fuel cell using the same. The exothermic reaction includes a combustion reaction and the like.
前記目的を達成するために、第1の発明である燃料電池システムは、触媒を備え、改質用原料及び改質用ガスが供給されたときには加熱された前記触媒上で前記改質用原料及び前記改質用ガスの改質反応によって水素含有ガスを生成し、発熱用原料及び発熱用ガスが供給されたときには前記発熱用原料及び前記発熱用ガスの発熱反応によって前記触媒を加熱し、前記改質反応と前記発熱反応とが切り替え可能な少なくとも一対の改質反応器と、前記改質反応器へ供給される流体の流路、及び、前記改質反応器から排出される流体の流路を切り替えるための切替手段と、一方の前記改質反応器で改質反応が行われると共に他方の前記改質反応器で発熱反応がおこなわれ、且つ、前記改質反応器の改質反応と発熱反応とが交互に行われるように前記切替手段を切り替える制御手段と、を備えた水素生成部と、前記水素生成部によって改質生成された水素含有ガスを収容する水素バッファ部と、前記水素バッファ部から供給された水素含有ガスによって発電する発電部と、を備えたものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a catalyst, and when the reforming material and the reforming gas are supplied, the reforming material and the reforming material are heated on the heated catalyst. A hydrogen-containing gas is generated by a reforming reaction of the reforming gas. When the exothermic raw material and the exothermic gas are supplied, the catalyst is heated by the exothermic reaction of the exothermic raw material and the exothermic gas, and the reforming is performed. At least a pair of reforming reactors capable of switching between a quality reaction and the exothermic reaction, a flow path of fluid supplied to the reforming reactor, and a flow path of fluid discharged from the reforming reactor Switching means for switching, a reforming reaction is performed in one of the reforming reactors and an exothermic reaction is performed in the other reforming reactor, and the reforming reaction and the exothermic reaction of the reforming reactor And so that is done alternately A hydrogen generation unit comprising: a control unit that switches the switching unit; a hydrogen buffer unit that contains a hydrogen-containing gas reformed and generated by the hydrogen generation unit; and a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen buffer unit to generate electric power A power generation unit.
ここで、本発明における「改質反応」には、下記の吸熱反応である「水蒸気改質反応」の他に発熱反応である「部分酸化反応」が含まれる場合がある。 Here, the “reforming reaction” in the present invention may include a “partial oxidation reaction” which is an exothermic reaction in addition to the “steam reforming reaction” which is the following endothermic reaction.
CnH2n+2+nH2O → (2n+1)H2+nCO …(1)
CnH2n+2+(n/2)O2 → (n+1)H2+nCO …(2)
CO+H2O ⇔ CO2+H2 …(3)
CO+3H2 ⇔ CH4+H2O …(4)
C n H 2n + 2 + nH 2 O → (2n + 1) H 2 + nCO (1)
C n H 2n + 2 + (n / 2) O 2 → (n + 1) H 2 + nCO (2)
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (3)
CO + 3H 2 CHCH 4 + H 2 O (4)
本発明における改質反応においては、主に上記(1)の水蒸気改質反応が主としておこなわれる。 In the reforming reaction in the present invention, the steam reforming reaction (1) is mainly performed.
本発明において、前記改質用原料としては、水蒸気改質などの改質反応により水素及び一酸化炭素の合成ガス(特に水素)を得るための燃料として一般に用いられる炭化水素燃料(例えばメタンガス、ガソリンなど)の中から適宜選択して用いることができる。前記改質用ガスとしては、水蒸気改質に必要な水分を含む水蒸気等を用いることができる。 In the present invention, the raw material for reforming is a hydrocarbon fuel (for example, methane gas, gasoline) generally used as a fuel for obtaining a synthesis gas (particularly hydrogen) of hydrogen and carbon monoxide by a reforming reaction such as steam reforming. Etc.) can be appropriately selected and used. As the reforming gas, steam containing water necessary for steam reforming can be used.
また、前記発熱用原料としては、一般に用いられる炭化水素燃料(例えばメタンガス、ガソリンなど)などの中から適宜選択して用いることができ、同様に前記発熱用ガスとしては、空気等を用いることができる。 Further, as the heat generating material, it can be appropriately selected and used from commonly used hydrocarbon fuels (for example, methane gas, gasoline, etc.), and similarly, as the heat generating gas, air or the like is used. it can.
また、前記改質用ガスとしては、例えば、燃料電池のカソード(空気極;以下同様)から排出され、水分を含有するガス(以下、「カソードオフガス」ということがある。)を用いることができる。更に、前記発熱用原料としては、アノード(水素極;以下同様)から排出される水素を含むガス(以下、「アノードオフガス」ということがある。)を用いてもよい。 In addition, as the reforming gas, for example, a gas (hereinafter also referred to as “cathode off-gas”) exhausted from the cathode (air electrode; hereinafter the same) of the fuel cell and containing water can be used. . Furthermore, a gas containing hydrogen discharged from the anode (hydrogen electrode; hereinafter the same) (hereinafter sometimes referred to as “anode off gas”) may be used as the heat generating material.
また、本発明の燃料電池システムは、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を回復させる発熱反応とを切り替えて行なうことができる改質反応器(以下、「PSR(Pressure swing reforming)型改質器」ともいう。)を一対備えることで、少なくとも1基が燃料の改質反応を行なうと共に、他の少なくとも1基において再生反応を行なわせるように構成することができる(以下、この水素生成装置を「PSR改質装置」ということがある。)。 In addition, the fuel cell system of the present invention can perform a reforming reactor (hereinafter referred to as “PSR”) that can switch between a fuel reforming reaction using heat storage and an exothermic reaction that recovers the amount of heat storage that has decreased due to the reforming reaction. By providing a pair of (Pressure swing reforming type reformers)), at least one fuel reforming reaction can be performed, and at least one other fuel regeneration reaction can be performed. (Hereinafter, this hydrogen generator may be referred to as “PSR reformer”.)
このため、第1の本発明によれば、水素生成部の制御手段が、一方の前記改質反応器で改質反応が行われると共に他方の前記改質反応器で発熱反応がおこなわれ、且つ、前記改質反応器の改質反応と発熱反応とが交互に行われるように前記切替手段を切り替える。 Therefore, according to the first aspect of the present invention, the control means of the hydrogen generator performs the reforming reaction in one reforming reactor and the exothermic reaction in the other reforming reactor, and The switching means is switched so that the reforming reaction and the exothermic reaction of the reforming reactor are alternately performed.
例えば、改質反応器が2基である場合、一方を器内の蓄熱を利用して吸熱反応である改質反応させると共に、他方では発熱反応である再生反応が行われる。また、前記一方の蓄熱量が改質反応の進行により低下したときには、2基の改質反応器への改質用原料の流路及び発熱用原料の流路を切り替える切替手段によって、発熱反応に切り替えると共に、前記他方では発熱反応により蓄熱された熱で燃料改質を行なうように発熱反応から改質反応へ切り替える。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, one of them undergoes a reforming reaction that is an endothermic reaction using heat storage in the chamber, and the other is a regeneration reaction that is an exothermic reaction. In addition, when the amount of heat stored in one of the two has decreased due to the progress of the reforming reaction, an exothermic reaction is caused by switching means for switching the reforming raw material flow path and the exothermic raw material flow path to the two reforming reactors. At the same time, the other is switched from the exothermic reaction to the reforming reaction so that the fuel reforming is performed with the heat stored by the exothermic reaction. This eliminates the need for a separate heater and enables continuous hydrogen generation with high use efficiency of heat energy.
また、第1の本発明によれば、水素生成部で生成された水素含有ガスを発電部に供給する供給路に水素バッファ部が設けられる。このため、水素生成部で生成された水素含有ガスは発電部に供給される前に水素バッファ部で一時的に収容され、水素バッファ部に収容された水素含有ガスが発電部に供給される。これにより、発熱/改質反応の切り替えによって水素生成部で生成される水素ガスの生成量が低下した場合であっても、水素バッファ部において発電部に供給される水素含有ガス中の水素濃度の変動(低下)を緩和することができる。更に、発熱/改質反応の切り替えによって、発熱反応に用いられたエアー等が水素生成部で生成する水素含有ガス中に混入された場合であっても、水素バッファ部に既に収容されている水素含有ガスと混合することで、水素含有ガス中の前記エアーの濃度を低減することができ、水素含有ガスの濃度変動を緩和することができる。更に、発熱/改質反応の切り替え時に、水素含有ガスの流量が低下した場合であっても、水素バッファにおいて流量変動及び圧力変動を緩和することができる。 According to the first aspect of the present invention, the hydrogen buffer unit is provided in the supply path for supplying the hydrogen-containing gas generated in the hydrogen generation unit to the power generation unit. For this reason, the hydrogen-containing gas generated in the hydrogen generation unit is temporarily stored in the hydrogen buffer unit before being supplied to the power generation unit, and the hydrogen-containing gas stored in the hydrogen buffer unit is supplied to the power generation unit. As a result, even if the amount of hydrogen gas generated in the hydrogen generator decreases due to the switching of the exothermic / reforming reaction, the hydrogen concentration in the hydrogen-containing gas supplied to the power generator in the hydrogen buffer is reduced. Variation (decrease) can be mitigated. Further, even if the air used for the exothermic reaction is mixed in the hydrogen-containing gas generated in the hydrogen generating part by switching between the exothermic / reforming reaction, the hydrogen already contained in the hydrogen buffer part By mixing with the containing gas, the concentration of the air in the hydrogen-containing gas can be reduced, and the concentration fluctuation of the hydrogen-containing gas can be mitigated. Furthermore, even when the flow rate of the hydrogen-containing gas is reduced when the heat generation / reforming reaction is switched, flow rate fluctuations and pressure fluctuations can be reduced in the hydrogen buffer.
また、「水素バッファ部」とは、水素含有ガスを一次的に収容できる機能を有するものであれば特に限定はなく、例えば、通常の供給管と比べて一定以上の容積を有するのものや、水素吸蔵合金等などを用いることができる。 In addition, the “hydrogen buffer part” is not particularly limited as long as it has a function capable of temporarily storing a hydrogen-containing gas. For example, a hydrogen buffer part having a certain volume or more compared to a normal supply pipe, A hydrogen storage alloy or the like can be used.
第1の本発明の燃料電池システムはこれらの作用によって、連続的に安定して電力の供給を行うことができる。 The fuel cell system of the first aspect of the present invention can continuously and stably supply electric power by these actions.
また、第1の本発明の燃料電池システムは、前記水素生成部を備えた水素生成装置と、前記水素バッファ部を備えた水素タンクと、前記発電部を備えた燃料電池と、を備えて構成することができる(以下、「第1の構成」という場合がある。)。第1の構成においては、水素生成装置で生成された水素含有ガスを水素バッファとなる水素タンクに供給し、水素タンク内の水素含有ガスを燃料電池に供給することで、上述の効果を奏することができる。 The fuel cell system according to the first aspect of the present invention includes a hydrogen generation device including the hydrogen generation unit, a hydrogen tank including the hydrogen buffer unit, and a fuel cell including the power generation unit. (Hereinafter, referred to as “first configuration” in some cases). In the first configuration, the hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generator is supplied to a hydrogen tank serving as a hydrogen buffer, and the hydrogen-containing gas in the hydrogen tank is supplied to the fuel cell, thereby achieving the above-described effects. Can do.
第1の構成において、前記水素タンクとしては、内部が空洞である通常のタンク状のものや、水素吸蔵合金を備えたものを用いることができる。特に、水素吸蔵合金を備えた水素タンクは、コンパクトに設計でき、燃料電池システムの小型化を図ることができる。 In the first configuration, as the hydrogen tank, an ordinary tank-shaped tank having a hollow interior or a tank provided with a hydrogen storage alloy can be used. In particular, a hydrogen tank provided with a hydrogen storage alloy can be designed compactly, and the fuel cell system can be miniaturized.
更に、第1の構成においては、前記燃料電池として、水素透過性金属層と、前記水素透過性金属層の少なくとも片側に配置された電解質層と、を備えたものを用いることができる。 Furthermore, in the first configuration, the fuel cell can be provided with a hydrogen permeable metal layer and an electrolyte layer disposed on at least one side of the hydrogen permeable metal layer.
前記水素透過性金属層と電解質層とを備えた燃料電池は、作動温度域が300〜600℃である。この温度域は水蒸気改質反応が進行する反応温度域とほぼ同じであるため、水蒸気改質生成された水素含有ガスが燃料電池の運転温度域で供給されるという利点を有すると共に、アノードオフガスをそのままPSR型改質器に戻して発熱反応に利用することができる。これにより、システム構成上及び熱エネルギーの有効利用の点で特に適している。 The fuel cell including the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer has an operating temperature range of 300 to 600 ° C. Since this temperature range is substantially the same as the reaction temperature range in which the steam reforming reaction proceeds, it has the advantage that the hydrogen-containing gas produced by steam reforming is supplied in the operating temperature range of the fuel cell, and the anode offgas is reduced. It can be returned to the PSR reformer as it is and used for the exothermic reaction. This is particularly suitable in terms of system configuration and effective use of thermal energy.
また、本発明の燃料電池システムは、前記水素生成部を備えた水素生成装置と、前記水素バッファ部及び前記発電部を備えた燃料電池と、を備えて構成することもできる(以下、「第2の構成」という場合がある。)。第2の構成においては、水素生成装置で生成された水素含有ガスが燃料電池に直接供給されるが、燃料電池自体に水素バッファ部が設けられていることから、上述の水素バッファ部の機能を燃料電池内で発揮することができる。 Further, the fuel cell system of the present invention may be configured to include a hydrogen generation device including the hydrogen generation unit, and a fuel cell including the hydrogen buffer unit and the power generation unit (hereinafter referred to as `` No. 2 ”). In the second configuration, the hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generator is directly supplied to the fuel cell. However, since the hydrogen buffer unit is provided in the fuel cell itself, the function of the hydrogen buffer unit described above is achieved. It can be demonstrated in a fuel cell.
第2の構成においては、前記燃料電池として、水素透過性金属層と、前記水素透過性金属層の少なくとも片側に配置された電解質層と、前記水素透過性金属層と前記電解質層とに挟持された水素吸蔵合金層と、を備えたものを用いることができる。かかる燃料電池によれば、水素バッファの機能を有する水素吸蔵合金層に収容された水素ガスが発電部である電解質層に供給される。これにより、上述の効果を奏することができるとともに、燃料電池システムを小型化することができる。 In the second configuration, the fuel cell is sandwiched between a hydrogen permeable metal layer, an electrolyte layer disposed on at least one side of the hydrogen permeable metal layer, the hydrogen permeable metal layer, and the electrolyte layer. And a hydrogen storage alloy layer can be used. According to such a fuel cell, the hydrogen gas accommodated in the hydrogen storage alloy layer having the function of a hydrogen buffer is supplied to the electrolyte layer that is the power generation unit. Thereby, while being able to show the above-mentioned effect, a fuel cell system can be reduced in size.
第2の本発明である燃料電池は、水素透過性金属層と、前記水素透過性金属層の少なくとも片側に配置された電解質層と、前記水素透過性金属層と前記電解質層との間に挟持された水素吸蔵合金層と、を備えて構成される。第2の本発明である燃料電池は、水素透過性金属層が水素バッファとして機能し、外部から供給される水素含有ガスの流量の変動、濃度変動及び圧力変動等を抑制することができる。 A fuel cell according to a second aspect of the present invention includes a hydrogen permeable metal layer, an electrolyte layer disposed on at least one side of the hydrogen permeable metal layer, and sandwiched between the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer. And a hydrogen storage alloy layer formed. In the fuel cell according to the second aspect of the present invention, the hydrogen permeable metal layer functions as a hydrogen buffer, and can suppress fluctuations in flow rate, concentration fluctuation, pressure fluctuation, and the like of the hydrogen-containing gas supplied from the outside.
本発明によれば、安定して電力を供給することのできる燃料電池システム及びこれに用いられる燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can supply electric power stably, and the fuel cell used for this can be provided.
(第1の実施の形態)
以下、図を用いて、本発明の燃料電池システムの実施形態について詳細に説明すると共に、該説明を通じて本発明の水素生成装置の詳細についても具体的に説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, and details of the hydrogen generator of the present invention will also be specifically described through the description.
本実施の形態においては、水素透過性の金属膜の表面にプロトン伝導性のセラミックスが積層されたものを電解質膜として用いた水素分離膜型燃料電池(HMFC)が搭載された電気自動車に本発明の水素生成装置を搭載し、この水素生成装置で改質生成された水素で水素分離膜型燃料電池を発電運転させるように構成した燃料電池システムに関するものである。 In the present embodiment, the present invention is applied to an electric vehicle equipped with a hydrogen separation membrane fuel cell (HMFC) in which a proton-permeable ceramic layer laminated on the surface of a hydrogen-permeable metal membrane is used as an electrolyte membrane. The hydrogen generation apparatus is mounted, and the hydrogen separation membrane fuel cell is configured to perform a power generation operation using hydrogen reformed and generated by the hydrogen generation apparatus.
本実施の形態においては、水蒸気改質反応により改質する改質用原料としてガソリンが、改質用ガスとして水分を含むカソードオフガスが、再生反応時に燃焼させる発熱用原料として燃料電池の水素極側から排出されたアノードオフガスが、また、発熱用ガスとして空気が用いられる。但し、本発明は係る態様に限定されるものではない。 In the present embodiment, gasoline is used as a reforming material to be reformed by a steam reforming reaction, cathode offgas containing moisture as a reforming gas, and a hydrogen electrode side of a fuel cell as a heat generating material to be burned during a regeneration reaction. The anode off-gas exhausted from the air is used as the exothermic gas. However, the present invention is not limited to such an embodiment.
まず、図1を用いて本発明の燃料電池システムの基本的構成について説明する。図1は、第1の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す概略図である。図1において、本発明の燃料電池システム100は、反応器112(PSR1)及び反応器114(PSR2)を備えた水素生成装置110と、水素タンク125と、水素分離膜型の燃料電池120(HMFC)と、を備え、水素生成装置110で改質生成された水素を燃料電池120に供給することで発電運転を行なうように構成される。
First, the basic configuration of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. In FIG. 1, a
図1に示す反応器112及び反応器114には、各々触媒及び噴射装置が設けられており、改質反応と発熱反応とを切り替えて行うことが可能なように構成されている。改質反応と発熱反応との切替は、ガソリン(改質用原料)及びカソードオフガス(改質用ガス)の供給流路、アノードオフガス(発熱用原料)及び燃焼用空気(発熱用ガス)の供給流路、及び、改質生成された水素含有ガスの排出流路、並びに、再生反応させた反応器から排出される再生オフガスの流路を複数のバルブ(バルブV1〜V8及び三方バルブSV1〜SV7)を制御することで行なえるように構成されている。ここで、バルブV1〜V8は、その開閉によりガスの通過及び遮断が切り替えられるバルブである。また、三方バルブSV1〜SV7には3つの管が連結されており、バルブの駆動により、3つの管のうち任意の2つの管を連通させるバルブである。
The
本発明の燃料電池システム100は、一方の反応器において水蒸気改質反応を行うとともに、他方の反応器において再生反応を行うように構成されている。また、水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、水蒸気改質反応を行っている反応器の温度をモニタリングし、反応器内の温度が一定温度よりも低下した場合には、2つの反応器に供給される燃料を切り替えて、それぞれの改質・再生反応を反転させる。即ち、改質反応を行っていた反応器においては、改質用原料及び改質用ガスに替えて発熱用原料及び発熱用ガスを供給して、改質反応を発熱反応に切り替え、また、発熱反応を行っていた反応器においては発熱用原料及び発熱用ガスに替えて改質用原料及び改質用ガスを供給することで、発熱反応から改質反応にシフトさせる。この際、改質用原料及び改質用ガスと発熱用原料及び発熱用ガスとの供給は、反応器内の温度勾配を考慮し、それぞれ対向する側から行われるように構成されている。
The
本実施の形態においては、水素生成装置110と、燃料電池120との間に水素タンク125が設けられており、水素生成装置110において生成された水素含有ガスが水素タンク125を経由して燃料電池120に供給されるように構成されている。この際、水素タンク125が水素含有ガスのバッファとして機能し、水素生成装置110における改質/発熱反応の切り替え時における、水素含有ガスの生成量変動、濃度変動及び圧力変動を抑制することができる。
In the present embodiment, a
尚、本発明の燃料電池システム100の運転時においては、各反応器の改質・再生反応の切り替えが繰り返しおこなわれるが、本実施の形態においては便宜上、反応器112において改質反応を行い、また、反応器114において再生反応を行う場合について説明する。
In the operation of the
本発明の燃料電池システムの基本構造について説明する。図1に示すように反応器112及び反応器114の一方の側(以下、「改質側」ということがある。)には、燃料供給管130Aと三方バルブSV1を介して連結される燃料供給管130B及び燃料供給管130Cがそれぞれ連結されており、これらを通して改質用原料が供給されるように構成されている。燃料供給管130AにはポンプP1が備えられており、ポンプP1の駆動により、改質用原料であるガソリンが反応器112に供給される。また、燃料供給管130B及び130CにはそれぞれバルブV1及びV5が備えられている。更に、反応器112及び反応器114には、それぞれに各反応器内の温度を検出するための温度センサ116と温度センサ118とが備えられている。
The basic structure of the fuel cell system of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, a fuel supply connected to one side of the
反応器112及び反応器114の他方の側(以下、「再生側」ということがある。)には、それぞれ水素含有ガス排出管134Aの一端と水素含有ガス排出管134Bの一端とが連結されており、これら水素含有ガス排出管134A及び水素含有ガス排出管134Bの他端はそれぞれ三方バルブSV2に連結されている。また、三方バルブSV2には、更にアノード供給管136の一端が接続されており、バルブの切り替えによってアノード供給管136と水素含有ガス排出管134A及び134Bのどちらかとを連通できるように構成されている。
One end of a hydrogen-containing
アノード供給管136の他端は水素タンク125と連結されており、アノード供給管136を通じてきた水素含有ガスは、一時的に水素タンク125に収容される。水素タンク125の出口側には、アノード供給管137の一端が連結されており、係る管を介して水素含有ガスがアノードに供給される。燃料電池120のアノードには、その入口側にアノード供給管137の他端が連結されると共に、出口側にはアノード排管138Aの一端が連結されている。燃料電池120のアノードに供給されたガスは、すべてこのアノード排管138Aを介して排出される。アノード排管138Aの他端には三方バルブSV3が連結されており、三方バルブSV3の切り替えによってアノード排管138B及びアノード排管138Cのいずれかと連通されるように構成されている。
The other end of the
アノード排管138Cは他端で反応器114の再生側に連結されており、燃料電池120から排出されるアノードオフガス等を供給できるように構成されている。また、アノード排管138Cには、燃焼エアー供給管140Bと連結した混合器139が備えられている。燃焼エアー供給管140Bの他端には三方バルブSV7が連結され、三方バルブSV7を介してポンプP2を備えた燃焼エアー供給管140Aと連結される。更に、三方バルブSV7には混合器141と他端で連結する燃焼エアー供給管140Cが連結されており、弁の駆動で燃焼エアー供給管140Aと、燃焼エアー供給管140B及び140Cのいずれかとを連通できるように構成されている。三方バルブSV7は、燃焼エアー供給管140B及び140Cのいずれかのうち、再生反応を行う反応器と連通する供給管と燃焼エアー供給管140Aとを連結させるように制御される。
The
反応器114で発熱反応を行う場合、アノードオフガスは、混合器139において、燃焼エアー供給管140Aに備えられたポンプP2の駆動及び燃焼エアー供給管140Bに備えられたバルブV2の開閉によって供給される燃焼エアーと混合されて、反応器114へと供給されるように構成されている。また、アノード排管138CにはバルブV3が備えられている。
When the exothermic reaction is performed in the
反応器114の改質側には、排出管142Aが接続されており、三方バルブSV4及び排出管142Bを介して酸化反応後のガスをシステム外に排出することができる。また、反応器114の改質側に連結される排出管142A、燃料供給管130Cには、それぞれバルブV4及びV5が備えられている。
A
排出管142Aは、三方バルブSV4を介して、排出管142B又は142Cと連通できるように構成されている。また、排出管142Cの他端は三方バルブSV5に連結されている。
The
アノード排管138BにはバルブV6及び混合器141が備えられており、更にその他端において反応器112の再生側と連結されている。反応器112で再生反応を行う場合には、燃料電池120からアノード排管138Bを介して排出されるアノードオフガスが、混合器141にて燃焼エアーと混合され、その後反応器112に供給される。この際、三方バルブSV7は、燃焼エアー供給管140A及び140Cを連通させるように制御される。また、燃焼エアー供給管140CにはバルブV8が備えられている。
The
燃料電池120のカソード(酸素極;以下同様)の入口側には、ポンプP3を備えたカソード供給管144の一端が連結されており、カソード供給管144から供給される空気等をカソードに供給可能なように構成されている。また、燃料電池120のカソードの出口側には、ガス供給管146Aの一端が連結されており、カソードオフガスを排出できるようになっている。
One end of a
ガス供給管146Aの他端には三方バルブSV5が備えられており、三方バルブSV5を介して、ガス供給管146Bと連通されている。また、三方バルブSV5には、排出管142Cの他端が連結されており、排出管142C及びガス供給管146Bのいずれかと連通可能なように構成されている。
The other end of the
ガス供給管146Bの他端には三方バルブSV6が連結されており、三方バルブSV6には更にバルブV7を備えたガス供給管146C及び排出管148の一端が連結されている。ガス供給管146Cの他端は、反応器112の改質側に連結されており、H2Oを含むカソードオフガスを反応器112に挿通できるように構成されている。また、排出管148は、三方バルブSV6の切り替えによりガス供給管146Bから供給されるガスをシステム外に排出するために用いられる。
A three-way valve SV6 is connected to the other end of the gas supply pipe 146B, and one end of a
また、燃料電池120の内部には、大気中から吸気した冷却用エア(Cooling Air)を挿通させるための冷却管150が設けられており、熱交換により電池内部を冷却できるように構成されている。
Further, inside the
次に反応器112及び反応器114について、反応器112を例にその構成を説明する。図2は、反応器の構成を説明するための概略図である。反応器112は、図2に示すように、両端が閉塞された断面円形の筒状体160と、筒状体160の内壁面に担持された触媒(触媒担持部)162とで構成されており、筒状体160は反応を行なうための空間を形成すると共に、触媒担持体として機能を担っている。
Next, the configuration of the
筒状体160は、セラミックスハニカムを用いて直径10cmの断面円形の筒型に成形し、筒の長さ方向の両端を閉塞した中空体である。断面形状やサイズは、目的等に応じて、円形以外の矩形、楕円形などの任意の形状、サイズを選択することができる。
The
触媒162は、筒状体内壁の曲面のうち、筒状体の長さ方向両端から筒内方向に向かう筒の中央付近、すなわち長さ方向の両端からそれぞれ所定距離Aの領域を、触媒を担持しない触媒非担持部として残し、触媒非担持部を除く全面に担持されている。触媒162には、Pd、Ni、Pt、Rh、Ag、Ce、Cu、La、Mo、Mg、Sn、Ti、Y、Zn等の金属を用いることができる。
The
触媒162により改質反応を行った場合、改質生成された水素含有ガスは該ガスの排出方向下流側の触媒非担持部で冷却され、水素含有ガスを燃料電池120の運転温度に近づけて供給できる。また、逆に改質反応から再生反応に切り替えられた場合には、触媒非担持部は水素含有ガスとの熱交換により昇温した状態にあり、水素含有ガスの排出方向とは逆向きに供給された発熱用原料は触媒非担持部で予熱された後触媒162に供給されるようになっている。これにより、触媒162が担持された筒状体160の中央付近ほど、蓄熱量が高くなる温度分布が形成され、係る温度分布は反応性の点で有利である。なお、筒状体160には、触媒の温度を計測するための温度センサ116が取付けられている。
When the reforming reaction is performed by the
筒状体160の改質側の壁面には、燃料供給管130Bとガス供給管146Cとが接続されており、燃料供給管130Bの先端部には噴射装置164が備えられている。また、筒状体160の再生側の壁面には、水素含有ガス排出管134Aとアノード排管138Bとが接続されている。
A
噴射装置164は、通常運転時に反応器112にて水蒸気改質反応を行う場合にはガソリン(改質用原料)を広角に噴射しカソードオフガス中に含まれる水分と共に筒状体160に内装された触媒162上への供給、反応を行なうことができるようになっている。この場合、水蒸気改質反応によって生成した水素含有ガスは、水素含有ガス排出管134Aから排気され、燃料電池120に供給される。
When performing a steam reforming reaction in the
また、改質反応から切り替えて反応器112にて再生反応を行う場合には、アノードオフガス(及び必要によりガソリンや水素含有ガス等)を供給することにより、筒状体160に内装された触媒162上へのアノードオフガスを供給し、酸化反応を行なうことができる。
Further, when the regeneration reaction is performed in the
次に、水素タンク125について図3を用いて説明する。図3は第1の実施の形態における水素タンクを説明するための概略図である。本実施の形態における水素タンク125は、図3に示すように、内部に一定容量の空間が確保されたタンクである。この空間において、水素含有素ガスを収容し、水素バッファとしての役割を果たす。水素タンク125は、SUS316製の直径20cmの断面円形の筒型であり、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。
Next, the
次に、燃料電池120について図4を用いて説明する。図4は、本実施の形態における燃料電池を説明するための断面図である。水素分離膜型の燃料電池(HMFC)120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池膜174と、電池膜174を狭持する酸素極(O2極)176及び水素極(H2極)178とで構成されており、水素生成装置110で改質生成された水素含有ガスが供給されると水素を選択的に透過させて発電運転が行なえるようになっている。
Next, the
酸素極176と電池膜174との間には、酸化剤ガスとして空気(Air)を通過、すなわち給排するためのエア流路180が形成されており、水素極178と電池膜174との間には、水素リッチな燃料ガス(ここでは、改質生成された水素含有ガス)を通過、すなわち給排するための燃料流路182が形成されている。酸素極176及び水素極178は、カーボン(例えば、白金又は白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉)や電解質溶液(例えば、Aldrich Chemical社製のNafion Solution)など種々の材料を用いて形成可能である。
Between the
電池膜174は、バナジウム(V)で形成された緻密な基材(水素透過性金属からなる緻密な水素透過膜)184を含む4層構造となっている。パラジウム(Pd)層(水素透過性材料からなる緻密な水素透過膜)186,188は、基材184を両側から挟むようにして配置されており、一方のPd層186の基材184と接する側と逆側の面には、更にBaCeO3(固体酸化物)からなる電解質層190が薄膜状に設けられている。
The
基材184は、バナジウム(V)以外に、ニオブ、タンタル、及びこれらの少なくとも一種を含む合金を用いて好適に形成することができる。これらは、高い水素透過性を有すると共に、比較的安価であるためコスト面で有利である。
The
電解質層(BaCeO3膜)190は、BaCeO3以外にSrCeO3系のセラミックスプロトン伝導体などを用いて構成することができる。 Electrolyte layer (BaCeO 3 film) 190 may be configured by using a SrCeO 3 based ceramic proton conductor other than BaCeO 3.
前記水素透過性金属には、パラジウム以外に、例えば、バナジウム、ニオブ、タンタル及びこれらの少なくとも一種を含む合金、並びにパラジウム合金などが挙げられる。これらを用いた緻密膜を設けることで電解質層を保護できる。 Examples of the hydrogen permeable metal include, in addition to palladium, vanadium, niobium, tantalum, an alloy containing at least one of these, and a palladium alloy. The electrolyte layer can be protected by providing a dense film using these.
前記水素透過性金属からなる緻密膜(被膜)については、酸素極176側では、一般に水素透過性が高く比較的安価である点で、例えば、バナジウム(バナジウム単体及び、バナジウム−ニッケル等の合金を含む。)、ニオブ、タンタル及びこれらの少なくとも一種を含む合金のいずれかを用いるのが好ましい。これらは水素極側での適用も可能であるが、水素脆化を回避する点で酸素極176側に用いることが望ましい。また、水素極178側では、水素透過性が比較的高く水素脆化しにくい点で、例えば、パラジウム又はパラジウム合金を用いるのが好ましい。
The dense film (coating film) made of the hydrogen permeable metal is generally made of vanadium (vanadium simple substance and vanadium-nickel alloy, etc.) on the
図4に示すように、Pd層186/基材184/Pd層188の3層からなるサンドウィッチ構造膜、すなわち異種金属(水素透過性材料からなる緻密膜)からなる2層以上の積層構造を有してなる場合、異種金属の接触界面の少なくとも一部に該異種金属同士の拡散を抑制する金属拡散抑制層を設けるようにしてもよい(例えば、後述の図10及び図11参照)。また、金属拡散抑制層については、特開2004−146337号公報の段落番号[0015]〜[0016]に記載されている。
As shown in FIG. 4, a sandwich structure film composed of three layers of
上述のサンドウィッチ構造膜の層構成としては、パラジウム(Pd)/バナジウム(V)/Pdで構成する以外に、Pd/タンタル(Ta)/V/Ta/Pd等の5層構造などにすることも可能である。既述のように、VはPdよりプロトン又は水素原子の透過速度が速く安価であるが、水素分子をプロトン等に解離する能力が低い。このため、水素分子をプロトン化する能力の高いPd膜をV膜の片側又は両側の面に設けることで、水素透過性能を向上させることができる。この場合に、金属膜間に金属拡散抑制層を設けることで、異種金属同士の相互拡散を抑え、水素透過性能の低下、ひいては燃料電池の起電力の低下を抑制することができる。 As the layer structure of the above sandwich structure film, in addition to the structure of palladium (Pd) / vanadium (V) / Pd, a five-layer structure such as Pd / tantalum (Ta) / V / Ta / Pd may be used. Is possible. As described above, V has a faster proton or hydrogen atom permeation rate than Pd and is inexpensive, but has a lower ability to dissociate hydrogen molecules into protons and the like. For this reason, hydrogen permeation performance can be improved by providing a Pd membrane having a high ability to protonate hydrogen molecules on one or both sides of the V membrane. In this case, by providing a metal diffusion suppression layer between the metal films, it is possible to suppress mutual diffusion between different kinds of metals and to suppress a decrease in hydrogen permeation performance, and thus a decrease in electromotive force of the fuel cell.
また、電解質層190は固体酸化物からなり、Pd層186との界面の一部に、電解質層190中の酸素原子とPdとの反応を抑制する反応抑制層を設けてもよい(例えば後述の図10の反応抑制層210)。この反応抑制層については、特開2004−146337号公報の段落[0024]〜[0025]に記載されている。
The
電池膜174は、緻密な水素透過性材料であるバナジウム基材と燃料電池120のカソード側に成膜された無機質の電解質層とで構成することで電解質膜の薄膜化が可能となり、これを一般に用いられる高温型の固体酸化物型燃料電池(SOFC)に適用すると、作動温度を300〜600℃の温度域に低温化することができる。これにより、燃料電池から排出されたカソードオフガスを直接、改質反応させるPSR型改質器に供給する本発明の燃料電池システムを好適に構成することが可能である。
The
水素分離膜型の燃料電池120は、燃料流路182に水素(H2)密度の高い水素含有ガスが供給され、エア流路180に酸素(O2)を含む空気が供給されると、下記式(1)〜(3)で表される電気化学反応(電池反応)を起こして外部に電力を供給する。なお、式(1) 、式(2)は各々アノード側、カソード側での反応を示し、式(3)は燃料電池での全反応である。
When a hydrogen-containing gas having a high hydrogen (H 2 ) density is supplied to the
H2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
図5を用いて、各バルブの切り替えについて説明する。図5は、バルブ制御を説明するための構成図である。図5に示すように、バルブV1〜V8、三方バルブSV1〜SV7は、及びポンプP1〜P3は制御部(CPU)170に接続されており、その開閉及び切り替えが制御部170によって制御されている。また、制御部170は温度センサ116及び温度センサ118に接続されており、反応器112及び反応器114内の温度をモニタリングすることができる。制御部170は、反応器112及び反応器114内の温度に従ってバルブ及びポンプを制御し、各反応器の改質反応から再生反応(発熱反応)へとシフトすることができる。更に、制御部170は、ポンプP1〜P3を制御することにより、ガソリン(改質用原料)、カソードガス、燃焼エアー(発熱用ガス)の供給量を制御することができる。
The switching of each valve will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a configuration diagram for explaining the valve control. As shown in FIG. 5, the valves V <b> 1 to V <b> 8, the three-way valves SV <b> 1 to SV <b> 7, and the pumps P <b> 1 to P <b> 3 are connected to a control unit (CPU) 170, and their opening / closing and switching are controlled by the
次に本実施の形態における燃料電池システム100のガスの流れ及びその制御について図1を用いて説明する。図1において、太線で示された排管は、反応器112において改質反応を行い、反応器114において再生反応(発熱反応)を行う場合において使用される管を示し、白抜きで示された排管は、かかる場合に使用されていない管を示す。また、図1に示されるバルブV1〜V8のうち、白抜きで示されたバルブは開状態であることを意味し、黒塗りで示されたバルブは閉状態であることを意味する。
Next, the gas flow and control of the
図1においては、まずポンプP1の駆動によりガソリンが燃料供給管130Aから供給されると、三方バルブSV1によって燃料供給管130Aと連通された130Bを通じて、反応器112へと供給される。ここで、本実施の形態においては、改質反応に用いられる水分を燃料電池120からのカソードオフガスにより供給する循環型の形態としたが、必要に応じてシステム外からガソリンと共に又はガソリンと別に水分をシステム内に供給できるように構成することができる。
In FIG. 1, when gasoline is first supplied from the
ガソリンとカソードオフガスに含まれる水分とが供給された反応器112内では水蒸気改質反応により水素が発生し、水素含有ガスが水素含有ガス排出管134Aに排出される。この際、三方バルブSV2は水素含有ガス排出管134Aとアノード供給管136とが連通するように調整されている。反応器112から排出された水素含有ガスは、水素含有ガス排出管134A及びアノード供給管136を介して水素タンク125に供給される。
In the
水素タンク125内に供給された水素含有ガスは一時的に水素タンク125内に収容され、その後、アノード供給管137を介して燃料電池120のアノードに供給され、燃料電池120の発電に使用される。
The hydrogen-containing gas supplied into the
燃料電池120のアノードにおいてプロトン化しなかった余剰水素を含むアノードオフガスは、アノード排管138Aから排出される。この際、三方バルブSV3は、アノード排管138Aとアノード排管138Cとが連通するように調整されており、アノード排管138Aに排出されたアノードオフガスが、アノード排管138Cに送られるように構成されている。アノード排管138Cに送られたアノードオフガスは、これを通じてまず混合器139に供給される。
The anode off gas containing surplus hydrogen that has not been protonated at the anode of the
この際、三方バルブSV7は、燃焼エアー供給管140A及び140Bとが連通されるように制御されている。混合器139に供給されたアノードオフガスは、燃焼エアー供給管140A及び140Bを通じて供給される燃焼エアーと混合された後、反応器114に供給される。この際、バルブV3は開状態となるように制御されている。また、本発明においては、別途補助燃料用の配管を設け、アノードオフガスと共に再生反応を補助するガソリン等の補助燃焼を供給可能なように構成してもよい。
At this time, the three-way valve SV7 is controlled so that the combustion
反応器114に供給されたアノードオフガスは、再生反応による発熱に用いられ、その後排出管142A及び142Bを介してシステム外に排出される。この際、排出管142Aに設けられたバルブV4は開状態になるように制御されると共に、燃料供給管130Cに備えられたバルブV5は閉状態になるように制御されている。
The anode off gas supplied to the
一方、燃料電池120のカソード側では、ポンプP3の駆動によりカソード供給管144を通じて、酸化剤となる空気が燃料電池120のカソードに供給される。カソードに供給された空気中の酸素は、電解質膜を通じてきたプロトンと、図を省略する外部回路を通じてきた電子と反応し、水を生成する。この水を含んだカソードオフガスは、ガス供給管146Aに排出される。
On the other hand, on the cathode side of the
三方バルブSV5及びSV6は、ガス供給管146Aとガス供給管146Bとガス供給管146Cとが連通するように制御されており、燃料電池120のカソードから送られてきたカソードオフガスは、ガス供給管146A〜146Cを通じて反応器112に供給される。このように、燃料電池120からのカソードオフガスを、改質反応を行う反応器112に送ることで、カソードオフガスに含まれる水分を反応器112における水蒸気改質反応に利用することができる。これにより、例えば、システム外から供給する水分の量を低減することができ、効率的なシステムを構成することができる。
The three-way valves SV5 and SV6 are controlled so that the
また、通常運転時においては、冷却管150に冷却用エアが供給されており、冷却管150を通じて熱交換により燃料電池120内部を冷却するように構成されている。
Further, during normal operation, cooling air is supplied to the
反応器112で改質反応を行う場合には、以上のようにして水素生成装置110において生成した水素含有ガスが水素タンク125を介して燃料電池120に供給される。
When the reforming reaction is performed in the
次に、反応器112及び反応器114における改質/発熱反応の変換制御について図6を用いて説明する。図6は、第1の実施の形態における改質/発熱反応の変換制御を示す流れ図であり、図6AはPSR1の改質制御を示す流れ図であり、図6BはPSR2の改質制御を示す流れ図である。図6A(PSR1改質制御)において制御手段170は、まず、反応器112(PSR1)内で改質反応を行うために、反応器112にガソリンとカソードオフガスとを供給し、反応器114(PSR2)内で再生反応を行うために、反応器114にアノードオフガスと燃焼エアーを供給する(ステップS101)。制御手段170は、各反応器に原料ガスを供給しながら、改質反応が行われている反応器112内の温度を温度センサ116によってモニタリングし、反応器112内の温度T1を検出する(ステップS102)。
Next, conversion control of reforming / exothermic reaction in the
次いで制御手段170は、温度センサ116によって検出した温度T1と閾値T0(例えば、約600℃)とを比較し、温度T1が閾値T0未満であるか否かを判断する(ステップS103)。制御手段170が、温度T1が閾値T0以上であると判断した場合は(ステップS103否定)、引き続きステップS101に戻り、現状のまま各反応器に原料ガスを供給しつづける。
Next, the control means 170 compares the temperature T1 detected by the
一方、制御手段170が、温度T1が閾値未満であると判断した場合は(ステップS103肯定)、各反応器への原料ガスの供給を停止する(ステップS104)。制御手段170は、原料ガスの供給停止後、各反応器の改質/発熱反応を切り替えるために各バルブを切り替える(ステップS105)。 On the other hand, when the control means 170 determines that the temperature T1 is less than the threshold (Yes at Step S103), the supply of the raw material gas to each reactor is stopped (Step S104). After stopping the supply of the raw material gas, the control means 170 switches each valve in order to switch the reforming / exothermic reaction of each reactor (step S105).
次いで、制御手段170は、反応器112にアノードオフガス及び燃焼用ガスを供給して反応器112内の反応を発熱反応に切り替えると共に、反応器114にガソリン及びカソードオフガスを供給して、反応器114内の反応を改質反応に切り替え、反応器114において生成された水素含有ガスを燃料電池120に供給し(ステップS106)、PSR2改質制御へと移行する。
Next, the control means 170 supplies anode off gas and combustion gas to the
同様に、図6Bに示すようにPSR2改質制御では、まず、制御手段170は、反応器114(PSR2)内で改質反応を行うために、反応器114にガソリンとカソードオフガスを供給し、反応器112(PSR1)内で再生反応を行うために、反応器112にアノードオフガスと燃焼エアーとを供給する(ステップS111)。制御手段170は、各反応器に原料ガスを供給しながら、改質反応が行われている反応器114内の温度を温度センサ118によってモニタリングし、反応器114内の温度T2を検出する(ステップS112)。
Similarly, in the PSR2 reforming control as shown in FIG. 6B, first, the control means 170 supplies gasoline and cathode off-gas to the
次いで制御手段170は、温度センサ118によって検出した温度T2と閾値T0(例えば、約600℃)とを比較し、温度T2が閾値T0未満であるか否かを判断する(ステップS113)。制御手段170が、温度T2が閾値T0以上であると判断した場合は(ステップS113否定)、引き続きステップS111に戻り、現状のまま各反応器に原料ガスを供給しつづける。
Next, the control means 170 compares the temperature T2 detected by the
一方、制御手段170が、温度T2が閾値未満であると判断した場合は(ステップS113肯定)、各反応器への原料ガスの供給を停止する(ステップS114)。制御手段170は、原料ガスの供給停止後、各反応器の改質/発熱反応を切り替えるために各バルブを切り替える(ステップS115)。 On the other hand, when the control means 170 determines that the temperature T2 is lower than the threshold (Yes at Step S113), the supply of the raw material gas to each reactor is stopped (Step S114). After stopping the supply of the raw material gas, the control means 170 switches each valve in order to switch the reforming / exothermic reaction of each reactor (step S115).
次いで、制御手段170は、反応器114にアノードオフガス及び燃焼用ガスを供給して反応器114内の反応を発熱反応に切り替えると共に、反応器112にガソリン及びカソードオフガスを供給して、反応器112内の反応を改質反応に切り替え、反応器112において生成された水素含有ガスを燃料電池120に供給し(ステップS116)、PSR1改質制御へと移行する。
Next, the control means 170 supplies anode off gas and combustion gas to the
以上のように、本実施の形態においては、各反応器における改質/発熱反応の切り替えが繰り返し行われる。 As described above, in the present embodiment, the reforming / exothermic reaction is repeatedly switched in each reactor.
次に、水素流量の変動を例にとり、本実施の形態における水素タンク125のバッファ作用について図7を用いて説明する。図7は、第1の実施の形態の燃料電池システムを概念的に示す説明図である。図7におけるグラフAに示すように、各反応器における改質/発熱反応切り替え時には、水素タンク125に供給される水素流量が一時的に減少する(図7における点X)。しかし、水素タンク125内には一定量の水素含有ガスが収容されていることから、水素タンク125に供給される水素含有ガスの流量が一時的に減少した場合であっても、その流量変動が緩和され、図7におけるグラフBに示すように、燃料電池120に供給される水素含有ガスの流量の変動を低減することができる。
Next, taking the fluctuation of the hydrogen flow rate as an example, the buffer action of the
このように、本実施の形態によれば、各反応器における改質/発熱反応切り替え時における、水素含有ガスの流量変動、濃度変動及び圧力変動等が水素タンク125のバッファ機能によって低減される。これにより、安定して電力を供給することが可能な燃料電池システムを構成することができる。
As described above, according to the present embodiment, the flow rate variation, concentration variation, pressure variation and the like of the hydrogen-containing gas at the time of the reforming / exothermic reaction switching in each reactor are reduced by the buffer function of the
(第2の実施の形態)
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。第2の実施の形態は、第1の実施の形態と同様の構成の燃料電池システムおいて、水素タンク125の代わりに水素吸蔵合金を備えたMHタンク127を用いて構成されている。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the fuel cell system having the same configuration as that of the first embodiment, the second embodiment is configured using an
図8を用いて、第2の実施の形態におけるMHタンク127を用いた燃料電池システム102について説明する。尚、第1の実施の形態における部材と同様のものには同様の符号を付してその説明を省略する。図8は、第2の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す概略図である。
The
図8に示すように、MHタンク127には、アノード供給管136の一端と、アノード供給管137の一端とが連結されており、水素生成装置110で生成された水素含有ガスを一時的に収容できるように構成されている。具体的には、反応器112から排出された水素含有ガスは、水素含有ガス排出管134A及びアノード供給管136を介して、まず、MHタンク127に供給される。その後、MHタンク127内に供給された水素含有ガスは一時的にMHタンク127内に収容され、その後、アノード供給管137を介して燃料電池120のアノードに供給され、燃料電池120の発電に使用される。
As shown in FIG. 8, one end of an
次に、図9を用いて第2の実施の形態におけるMHタンク127について説明する。図9は、第2の実施の形態におけるMHタンクを説明するための概略図である。図9に示すようにMHタンク127の内部には水素吸蔵合金で構成された水素吸蔵部129が設けられており、水素吸蔵部129において水素含有ガス中の水素ガスを吸蔵することで、水素バッファとしての役割を果たす。水素吸蔵部129は、水素ガスを可逆的に放出することのできる水素吸蔵合金で構成されており、水素含有ガス中の水素が水素吸蔵合金中において原子状態又はイオンの状態で金属格子中に金属結合又はイオン結合されて吸蔵される。水素含有ガス中の水素ガスは、水素生成装置110からの水素含有ガスの供給による加圧によって水素吸蔵部129に収容され、水素含有ガスの燃料電池120への供給による減圧によって水素吸蔵部129から放出される。尚、水素ガスの吸蔵・放出は熱により行うこともできる。
Next, the
前記水素吸蔵部129を構成する水素吸蔵合金としては、例えば、Mg−Ni系、V−Ti系の等の公知の材料を適宜選定することができる。
As the hydrogen storage alloy constituting the
本実施の形態によれば、各反応器における改質/発熱反応切り替え時における、水素含有ガスの流量変動、濃度変動及び圧力変動等が、MHタンク127のバッファ機能によって低減される。これにより、安定して電力を供給することが可能な燃料電池システムを構成することができる。
According to the present embodiment, flow rate fluctuation, concentration fluctuation, pressure fluctuation and the like of the hydrogen-containing gas at the time of reforming / exothermic reaction switching in each reactor are reduced by the buffer function of the
また、水素吸蔵部129を構成する水素吸蔵合金は、常温1気圧下では自己の体積の約1000倍程度の水素ガスを吸蔵することができる。このため、MHタンク127自体をコンパクトに設計することができ、燃料電池システム102の小型化を図ることができる。
Further, the hydrogen storage alloy constituting the
次に、上述の第1及び第2の実施の形態における燃料電池システムにおける燃料電池120に転用可能な水素分離膜型燃料電池の他の具体例について、図10〜図11を用いて説明する。なお、他の具体例についての詳細については特開2004−146337号公報の記載を参照することができる。
Next, another specific example of the hydrogen separation membrane fuel cell that can be diverted to the
図10は、バナジウム(V)で形成された緻密な基材212を含む5層構造の電池膜202と、電池膜202を狭持する酸素極(O2極)204及び水素極(H2極)206とで構成され、金属拡散抑制層及び反応抑制層を備えた水素分離膜型燃料電池200を示したものである。電池膜202は、基材212の水素極(アノード)206側の面に該面側から順に緻密体の金属拡散抑制層214とパラジウム(Pd)層216とを備える。また、基材212の酸素極(カソード)204側の面に該面側から順に緻密体の反応抑制層(例えばプロトン伝導体や混合伝導体、絶縁体の層)210と、固体酸化物からなる薄膜の電解質層(例えばペロブスカイトの1つである金属酸化物SrCeO3膜など)208とを備えている。反応抑制層210は、電解質層208中の酸素原子と基材(V)212との反応を抑制する機能を担うものである。なお、酸素極204又は水素極206と電池膜202との間には上記同様に、各々エア流路180、燃料流路182が形成されている。金属拡散抑制層及び反応抑制層の詳細については既述の通りである。
FIG. 10 shows a five-layered
図11は、水素透過性金属を用いた緻密な水素透過膜を有する電池膜302と、電池膜302を狭持する酸素極(O2極)304及び水素極(H2極)306とで構成された固体高分子型の水素分離膜型燃料電池300を示したものである。電池膜302は、例えば、ナフィオン(登録商標)膜などの固体高分子膜からなる電解質層312の両側の面を、水素透過性の緻密な金属膜で挟んだ多層構造となっており、電解質層312の水素極(アノード)306側の面にパラジウム(Pd)層(緻密膜)314を備え、電解質層312の酸素極(カソード)304側の面に該面側から順に、基材となるバナジウム−ニッケル合金(V−Ni)層(緻密膜)310とPd層(緻密膜)308とを備えている。なお、酸素極304又は水素極306と電池膜302との間には上記同様に、各々エア流路180、燃料流路182が形成されている。燃料電池120においてもまた、V−Ni層310とPd層308との間には金属拡散抑制層を設けることができ、V−Ni層310又はPd層314と電解質層312との間には反応抑制層を設けることができる。
FIG. 11 includes a
図11に示す固体高分子型の燃料電池では、含水電解質膜を挟むようにして水素透過性金属を用いた水素透過膜が形成された構成とすることにより、高温での電解質膜の水分蒸発及び膜抵抗増大の抑制が可能で、一般に低温型の固体高分子型燃料電池(PEFC)の作動温度を300〜600℃の温度域に向上させることができる。これにより、燃料電池から排出されたカソードオフガスを直接、改質反応させるPSR型改質器に供給する本発明の燃料電池システムの構成に好適である。 In the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 11, by forming a hydrogen permeable membrane using a hydrogen permeable metal so as to sandwich the hydrous electrolyte membrane, moisture evaporation and membrane resistance of the electrolyte membrane at a high temperature are achieved. It is possible to suppress the increase, and in general, the operating temperature of a low-temperature polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be improved to a temperature range of 300 to 600 ° C. This is suitable for the configuration of the fuel cell system of the present invention in which the cathode off-gas discharged from the fuel cell is directly supplied to the PSR reformer that undergoes the reforming reaction.
(第3の実施の形態)
次に本発明の第3の実施の形態について説明する。第3の実施の形態は、第1の実施の形態と同様の構成の燃料電池システムおいて、水素タンク125を用いず、燃料電池120の代わりに水素バッファ機能を有する燃料電池400を用いて構成される。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment is configured by using a
図12を用いて、第3の実施の形態におけるバッファ機能付の燃料電池400を用いた燃料電池システム103について説明する。尚、第1の実施の形態における部材と同様のものには同様の符号を付してその説明を省略する。図12は、第3の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す概略図である。
The
図12に示すように、燃料電池システム103においては、アノード供給管136が直接燃料電池400のアノードに連結されており、水素生成装置110で生成された水素含有ガスがアノード供給管136を通じて燃料電池400に供給される。
As shown in FIG. 12, in the
水素バッファ機能を有する燃料電池400について図13を用いて説明する。図13は、第3の実施の形態における燃料電池を説明するための断面図である。水素バッファ機能を有する水素分離膜型の燃料電池(HMFC)400は、図13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池膜402と、電池膜402を狭持する酸素極(O2極)404及び水素極(H2極)406とで構成されており、水素生成装置110で改質生成された水素含有ガスが供給されると水素ガス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。酸素極404及び水素極406には、LaSrCoO3等を用いることができる。
A
酸素極404と電池膜402との間には、酸化剤ガスとして空気(Air)を通過、すなわち給排するためのエア流路180が形成されており、水素極406と電池膜402との間には、水素含有ガスを通過、すなわち給排するための燃料流路182が形成されている。
Between the
電池膜402は、バナジウム(V)で形成された緻密な基材(水素透過性金属からなる緻密な水素透過膜)408を含む5層構造となっている。パラジウム(Pd)層(水素透過性材料からなる緻密な水素透過膜)410,412は、基材408を両側から挟むようにして配置されており、一方のPd層410の基材408と接する側と逆側の面には、水素吸蔵合金層414が設けられている。水素吸蔵合金層414は、水素透過膜を通過してきた水素ガスのバッファとなる。水素吸蔵合金層414に用いられる水素吸蔵合金としては、上述と同様のものが挙げられる。更に、水素吸蔵合金層414のPd層410と接する側と逆側の面には、BaCeO3(固体酸化物)からなる電解質層416が薄膜状に設けられている。
The
尚、燃料電池400を構成する水素吸蔵合金層414以外の部材には第1の実施の形態に挙げた各部材と同様のものを用いることができる。
In addition, as members other than the hydrogen storage alloy layer 414 constituting the
燃料電池400は、燃料流路182に水素(H2)密度の高い水素含有ガスが供給され、エア流路180に酸素(O2)を含む空気が供給されると、上述と同様の電気化学反応(電池反応)を起こして外部に電力を供給することができる。燃料流路182より供給され、パラジウム(Pd)層412、基材408及びパラジウム(Pd)層412を通過してきた水素ガスは、水素吸蔵合金層414において一時的に水素吸蔵合金層414に吸蔵されたのち、電解質層416に放出される。このため、各反応器の改質/発熱反応の切り替え時において、燃料電池400に供給される水素含有ガスに流量変動、濃度変動及び圧力変動等が生じた場合であっても、水素吸蔵合金層414が水素バッファとして機能するため、電解質層416に供給される水素ガスの各変動を緩和することができる。
In the
以上のように、本実施の形態によっても、各反応器における改質/発熱反応切り替え時における、水素含有ガスの流量変動、濃度変動及び圧力変動等が、燃料電池400に内蔵された水素吸蔵金属層414のバッファ機能によって低減される。これにより、安定して電力を供給することが可能な燃料電池システムを構成することができる。
As described above, also according to the present embodiment, the hydrogen storage metal incorporated in the
100,102,103 燃料電池システム
110 水素生成装置
112,114 反応器
120,200,300,400 燃料電池
125 水素タンク
127 MHタンク
129 水素吸蔵部
170 制御部
184,212,408 基材
186,188,216,314,308,410,412 パラジウム(Pd)層
190,208,302,416 電解質層
310 バナジウム−ニッケル合金(V−Ni)層
414 水素吸蔵合金層
P1〜P4 ポンプ
V1〜V8 バルブ
SV1〜SV7 三方バルブ
100, 102, 103
Claims (7)
前記水素生成部によって改質生成された水素含有ガスを収容する水素バッファ部と、
前記水素バッファ部から供給された水素含有ガスによって発電する発電部と、
を備えた燃料電池システム。 When a reforming raw material and a reforming gas are supplied, a hydrogen-containing gas is generated by a reforming reaction of the reforming raw material and the reforming gas on the heated catalyst, and is used for heat generation. At least a pair of reforming reactors capable of switching the reforming reaction and the exothermic reaction by heating the catalyst by an exothermic reaction of the exothermic raw material and the exothermic gas when the raw material and the exothermic gas are supplied; A switching means for switching the flow path of the fluid supplied to the reforming reactor and the flow path of the fluid discharged from the reforming reactor, and the reforming reaction is performed in one of the reforming reactors. And a control means for switching the switching means so that the exothermic reaction is performed in the other reforming reactor and the reforming reaction and the exothermic reaction of the reforming reactor are alternately performed. A hydrogen generator,
A hydrogen buffer unit containing the hydrogen-containing gas reformed and generated by the hydrogen generation unit;
A power generation unit that generates power using the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen buffer unit;
A fuel cell system comprising:
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