JP2007063038A - Hydrogen generator and fuel cell system - Google Patents

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Keisuke Nagasaka
圭介 永坂
Satoru Iguchi
哲 井口
Masahiko Iijima
昌彦 飯島
Yasuhiro Izawa
康浩 伊澤
Hiroshi Aoki
博史 青木
Takashi Shimazu
孝 志満津
Hiroyuki Mitsui
宏之 三井
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Toyota Motor Corp
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen generator excellent in the availability of heat, and to provide a fuel cell system using the hydrogen generator. <P>SOLUTION: The hydrogen generator 110 is equipped with: a couple of reactors 112, 114 which each has a catalyst carrying part 162 comprising a ceramic honeycomb structure carrying a catalyst and non-catalyst carrying parts 164, 166 provided at the both end parts of the catalyst carrying part 162 and each having a low thermal conductivity lower than that of the catalyst carrying part 162, and in each of which a hydrogen-containing gas is formed by a reforming reaction of gasoline or the like on the heated catalyst when the gasoline and a cathode offgas are supplied, the catalyst carrying part 162 is heated by the combustion reaction of an anode offgas or the like when the anode offgas and combustion air are supplied, and the reforming reaction and the combustion reaction can be switched; and a control part 170 for switching the raw material to be supplied to respective reactors to either of a reforming raw material and a heat generating raw material so that the reforming reaction and the combustion reaction are alternately performed in respective reactors 112, 114. The fuel cell system 100 has the hydrogen generator 110. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

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

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

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

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

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

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

また、高温域で発電運転を行なう燃料電池システムの例として、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。)。前記以外にも、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。)。   Moreover, a fuel cell using a hydrogen permeable material is disclosed as an example of a fuel cell system that performs a power generation operation in a high temperature range (see, for example, Patent Document 2). In addition to the above, various techniques related to this are disclosed (for example, see Patent Documents 3 to 5).

このような燃料電池システムにおいては、改質反応時において低下した温度を発熱反応によって再生させるため、改質反応時における温度低下に対していかに対処するかが重要となる。このため、改質反応器に備えられた触媒の温度を十分に維持することのできる技術が求められていた。
米国特許2004−175326号明細書 特開2004−146337号公報 米国特許2004−170558号明細書 米国特許2004−170559号明細書 米国特許2003−235529号明細書
In such a fuel cell system, since the temperature decreased during the reforming reaction is regenerated by an exothermic reaction, it is important how to cope with the temperature decrease during the reforming reaction. For this reason, the technique which can fully maintain the temperature of the catalyst with which the reforming reactor was equipped was calculated | required.
U.S. Patent No. 2004-175326 JP 2004-146337 A U.S. Patent No. 2004-170558 US Patent No. 2004-170559 US 2003-235529

以上のように、改質反応と再生反応(発熱反応)とを切替えて水素を改質生成する改質装置を用いた燃料電池システムについて提案されているものの、改質反応時における温度低下に対する対策が十分でないことが現状である。   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, measures against a temperature drop during the reforming reaction are proposed. Is not enough.

本発明は、熱の利用効率に優れた水素生成装置、及び、これを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a hydrogen generator excellent in heat utilization efficiency and a fuel cell system using the same.

本発明は、吸熱反応である改質用原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触媒上での改質反応性を再生するための発熱用原料の発熱反応(以下、「再生反応」ともいう。)と、を切替えて繰り返す水素生成装置及びこれを用いた燃料電池に関するものである。尚、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 a reforming raw material, which is an endothermic reaction, and an exothermic reaction of a heat generating raw material for recovering the reforming reactivity on the catalyst by recovering the catalyst temperature lowered by the steam reforming reaction. (Hereinafter, also referred to as “regeneration reaction”), and a hydrogen generation device that repeats switching and a fuel cell using the same. The exothermic reaction includes a combustion reaction and the like.

前記目的を達成するために、第1の発明である水素生成装置は、触媒を担持した触媒担持部、及び、前記触媒担持部のガス流れ方向における両端部に設けられ前記触媒担持部よりも熱伝導率が低い部材からなる触媒非担持部を備え、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の改質反応によって水素含有ガスを生成し、発熱用原料が供給されたときには前記発熱用原料の発熱反応によって前記触媒を加熱し、前記改質反応と前記発熱反応とが切り替え可能な一対の改質反応器と、前記改質反応器の前記改質反応と前記発熱反応とが交互に行われるように、前記改質反応器に供給される原料を前記改質用原料及び前記発熱用原料のいずれかに切り替える制御手段と、を備えたものである。   In order to achieve the above object, a hydrogen generator according to a first aspect of the present invention includes a catalyst supporting portion supporting a catalyst, and heat provided at both ends in the gas flow direction of the catalyst supporting portion, which is more heated than the catalyst supporting portion. A catalyst non-supporting portion made of a member having low conductivity is provided, and when a reforming raw material is supplied, a hydrogen-containing gas is generated by a reforming reaction of the reforming raw material on the heated catalyst, and an exothermic raw material When the catalyst is supplied, the catalyst is heated by an exothermic reaction of the exothermic raw material so that the reforming reaction and the exothermic reaction can be switched, and the reforming reaction of the reforming reactor And control means for switching the raw material supplied to the reforming reactor to either the reforming raw material or the exothermic raw material so that the exothermic reaction and the exothermic reaction are alternately performed.

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

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

第1の本発明によれば、触媒担持部のガス流れ方向における両端部に、前記触媒担持部よりも熱伝導率が低い触媒非担持部を備えた改質反応器を用いることで、触媒担持部に蓄えられた熱が放出するのを熱伝導率の低い触媒非担持部で抑制することができる。これにより、改質反応器の蓄熱性が向上し、水素生成装置の熱の利用効率を向上させることができる。   According to the first aspect of the present invention, by using a reforming reactor provided with a catalyst non-supporting portion having a thermal conductivity lower than that of the catalyst supporting portion at both ends in the gas flow direction of the catalyst supporting portion, The release of the heat stored in the part can be suppressed by the catalyst non-supporting part having a low thermal conductivity. Thereby, the heat storage property of the reforming reactor is improved, and the heat utilization efficiency of the hydrogen generator can be improved.

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たものと、水蒸気(水分)との混合物を用いることができる。また、改質用原料中の水分は、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。)を利用したり、前記改質用の燃料を加湿したり、加湿した空気を用いることで供給することができる。   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.) and a mixture of water vapor (moisture) can be used. In addition, the moisture in the reforming raw material is discharged from, for example, a cathode (air electrode; hereinafter the same) of a fuel cell and uses a gas containing moisture (hereinafter sometimes referred to as “cathode off-gas”). The reforming fuel can be supplied by humidifying or using humidified air.

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

また、第1の本発明によれば、触媒担持部の熱容量が前記触媒非担持部の熱容量よりも高くなるように構成することができる。第1の本発明の水素生成装置は、触媒非担持部よりも熱容量の高い触媒担持部を用いることで、触媒担持部に蓄くわえられる熱量を大きくすることができる。これにより、改質反応器の蓄熱性を更に向上させることができる。   Further, according to the first aspect of the present invention, the heat capacity of the catalyst supporting part can be configured to be higher than the heat capacity of the catalyst non-supporting part. The hydrogen generator according to the first aspect of the present invention can increase the amount of heat stored in the catalyst supporting part by using the catalyst supporting part having a higher heat capacity than the catalyst non-supporting part. Thereby, the heat storage property of the reforming reactor can be further improved.

第1の本発明によれば、触媒担持部に担持される触媒の担持量を、部位に応じて異なるように構成することができる。水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、触媒活性は温度が高い部位ほど高くなる。しかし、温度が高い部位では触媒の凝集(シンタリング)が生じやすく、かえって改質反応を阻害する場合がある。これに対し、第1の本発明のように、触媒担持部の触媒担持量を部位によって異なるように構成すると、改質反応器内の温度分布に合わせて触媒量を変化させることができることから、触媒担持部全体としての改質能力を高めつつ、触媒の凝集を抑制することができる。   According to the first aspect of the present invention, the amount of the catalyst supported on the catalyst supporting portion can be configured to differ depending on the site. Since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, the catalytic activity increases as the temperature increases. However, catalyst agglomeration (sintering) is likely to occur at high temperature sites, which may inhibit the reforming reaction. On the other hand, as in the first aspect of the present invention, if the catalyst carrying amount of the catalyst carrying unit is configured to be different depending on the site, the catalyst amount can be changed in accordance with the temperature distribution in the reforming reactor. Aggregation of the catalyst can be suppressed while improving the reforming capability of the entire catalyst supporting unit.

このように、第1の本発明の水素生成装置においては、前記触媒担持部に担持される前記触媒の担持量を、改質反応時における前記改質反応器内の温度分布に従って異なるように構成することができ、好ましくは、前記触媒担持部に担持される前記触媒の担持量を、前記改質反応時における前記改質反応器内の温度分布に従って、前記触媒担持部の温度が高い部位ほど少なくすることで、高温部における触媒の凝集を防止しながら、改質能力を高めることができる。   Thus, in the hydrogen generator of the first aspect of the present invention, the amount of the catalyst supported on the catalyst supporting unit is configured to vary according to the temperature distribution in the reforming reactor during the reforming reaction. Preferably, the amount of the catalyst supported on the catalyst supporting unit is set such that the higher the temperature of the catalyst supporting unit, the higher the temperature of the catalyst supporting unit according to the temperature distribution in the reforming reactor during the reforming reaction. By reducing the number, the reforming ability can be enhanced while preventing aggregation of the catalyst in the high temperature part.

また、第1の本発明の水素生成装置は、前記触媒担持部の前記改質用原料が供給される側に担持される前記触媒の担持量を、前記水素含有ガスを排出する側の担持量よりも少なくした構成とすることもできる。水蒸気改質反応は、熱の供給がない状態で触媒に蓄えられている熱によって水蒸気改質反応を行うため、触媒担持部の温度分布が重要となる。係る観点からは、改質用ガス導入部位の触媒担持量を少なくすることで、改質用ガス導入部位での過剰な水蒸気改質反応(吸熱反応)を抑制し、触媒担持部内を理想の温度分布を保つことが好ましい。   In the hydrogen generator of the first aspect of the present invention, the amount of the catalyst supported on the side of the catalyst supporting unit to which the reforming raw material is supplied is the amount supported on the side of discharging the hydrogen-containing gas. It can also be set as the structure reduced rather than. In the steam reforming reaction, since the steam reforming reaction is performed by the heat stored in the catalyst in a state where no heat is supplied, the temperature distribution of the catalyst supporting portion is important. From this point of view, by reducing the amount of catalyst supported at the reforming gas introduction site, excessive steam reforming reaction (endothermic reaction) at the reforming gas introduction site is suppressed, and the inside of the catalyst supporting unit is kept at an ideal temperature. It is preferable to maintain the distribution.

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

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

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

第2の本発明によれば、熱の利用効率の高い水素生成装置を用いることで、システム全体の熱の利用効率を高めることができる。   According to the second aspect of the present invention, the heat utilization efficiency of the entire system can be increased by using the hydrogen generator having high heat utilization efficiency.

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

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

本発明によれば、熱の利用効率に優れた水素生成装置、及び、これを用いた燃料電池システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hydrogen generator excellent in the utilization efficiency of a heat | fever and a fuel cell system using the same can be provided.

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

本実施の形態においては、水素透過性の金属膜の表面にプロトン伝導性のセラミックスが積層されたものを電池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 a battery 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と水分を含むカソードオフガスとが用いられる。また、本実施の形態においては、発熱反応(再生反応)として燃焼反応が利用され、再生反応時に燃焼させる発熱用原料としては、燃焼用燃料と燃焼用ガスとの混合燃料が用いられる。本実施の形態においては、燃焼用燃料としては、燃料電池の水素極側から排出されたアノードオフガスを用い、燃焼用ガスとしては燃焼エアが用いられる。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 and cathode offgas containing water are used as reforming raw materials that are reformed by a steam reforming reaction. In the present embodiment, a combustion reaction is used as an exothermic reaction (regeneration reaction), and a mixed fuel of a combustion fuel and a combustion gas is used as a heat generating material to be combusted during the regeneration reaction. In the present embodiment, anode off-gas discharged from the hydrogen electrode side of the fuel cell is used as the combustion fuel, and combustion air is used as the combustion gas. However, the present invention is not limited to such an embodiment.

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

図1に示す反応器112及び反応器114は、各々セラミックス製の触媒担持体に触媒が担持され、更に触媒担持体の両端に低熱伝導セラミックス製ハニカムが備えられた円筒状の構成を有している。前記反応器112及び反応器114には、更に、噴射装置が備えられており、改質反応と再生反応とを切替えて行うことが可能なように構成されている。改質反応と再生反応との切替は、ガソリン及びカソードオフガスの供給流路、アノードオフガス及び燃焼エアの供給流路、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 reactor 112 and the reactor 114 shown in FIG. 1 each have a cylindrical configuration in which a catalyst is supported on a ceramic catalyst support, and further, a low thermal conductive ceramic honeycomb is provided at both ends of the catalyst support. Yes. The reactor 112 and the reactor 114 are further equipped with an injection device so that the reforming reaction and the regeneration reaction can be switched. Switching between the reforming reaction and the regeneration reaction includes a gasoline and cathode off-gas supply channel, an anode off-gas and combustion air supply channel, a reformed-generated hydrogen-containing gas discharge channel, and a regeneration reaction. The flow path of the regeneration off gas discharged from the reactor is configured to be controlled by controlling a plurality of valves (valves V1 to V8 and three-way valves SV1 to SV7). Here, the valves V <b> 1 to V <b> 8 are valves that are switched between passing and blocking of gas by opening and closing thereof. Further, three pipes are connected to the three-way valves SV1 to SV7, and any two pipes of the three pipes communicate with each other by driving the valves.

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

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

本発明の燃料電池システムの基本構造について説明する。図1に示すように反応器112及び反応器114の一方の側には、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。以下、改質用原料が供給される側、即ち、改質用原料の流れ方向に対して上流側を「改質側」という場合がある。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, on one side of the reactor 112 and the reactor 114, a fuel supply pipe 130B and a fuel supply pipe 130C connected to the fuel supply pipe 130A via the three-way valve SV1, respectively, are connected. The reforming raw material is supplied through these. Hereinafter, the side on which the reforming material is supplied, that is, the upstream side with respect to the flow direction of the reforming material may be referred to as the “reforming side”. The fuel supply pipe 130A is provided with a pump P1, and gasoline that is a reforming raw material is supplied to the reactor 112 by driving the pump P1. The fuel supply pipes 130B and 130C are provided with valves V1 and V5, respectively. Furthermore, each of the reactor 112 and the reactor 114 is provided with a temperature sensor 116 and a temperature sensor 118 for detecting the temperature in each reactor.

一方、反応器112及び反応器114の他方の側には、それぞれ水素含有ガス排出管134Aの一端と水素含有ガス排出管134Bの一端とが連結されている。以下、改質反応時に水素含有ガスが排出される側、即ち、改質用原料の流れ方向に対して下流側を「再生側」という場合がある。尚、燃焼反応(再生反応)時においては、各反応器の再生側から燃焼用原料が供給される。   On the other hand, one end of a hydrogen-containing gas discharge pipe 134A and one end of a hydrogen-containing gas discharge pipe 134B are connected to the other side of the reactor 112 and the reactor 114, respectively. Hereinafter, the side where the hydrogen-containing gas is discharged during the reforming reaction, that is, the downstream side with respect to the flow direction of the reforming raw material may be referred to as “regeneration side”. In the combustion reaction (regeneration reaction), the raw material for combustion is supplied from the regeneration side of each reactor.

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

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

アノード排管138Cは他端で反応器114の再生側に連結されており、燃料電池120から排出されるアノードオフガスを供給できるように構成されている。また、アノード排管138Cには、燃焼エア供給管140Bと連結した混合器139が備えられている。燃焼エア供給管140Bは、三方バルブSV7を介して燃焼エア供給管140Aと連通されており、燃焼エア供給管140Bに備えられたバルブV2の開閉及びポンプP2の駆動によって混合器139に燃焼エアを供給できるように構成されている。燃料電池120から排出されたアノードオフガスは、混合器139において、燃焼エア供給管140Bから供給される燃焼エアと混合されて、反応器114へと供給されるように構成されている。また、アノード排管138CにはバルブV3が備えられている。更に、三方バルブSV7には、燃焼エア供給管140Cの一端が備えられている。   The anode exhaust pipe 138C is connected to the regeneration side of the reactor 114 at the other end, and is configured to be able to supply the anode off-gas discharged from the fuel cell 120. Further, the anode exhaust pipe 138C is provided with a mixer 139 connected to the combustion air supply pipe 140B. The combustion air supply pipe 140B is communicated with the combustion air supply pipe 140A via a three-way valve SV7. The combustion air is supplied to the mixer 139 by opening / closing the valve V2 provided in the combustion air supply pipe 140B and driving the pump P2. It is configured so that it can be supplied. The anode off gas discharged from the fuel cell 120 is mixed with the combustion air supplied from the combustion air supply pipe 140 </ b> B in the mixer 139 and supplied to the reactor 114. The anode exhaust pipe 138C is provided with a valve V3. Further, the three-way valve SV7 is provided with one end of a combustion air supply pipe 140C.

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

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

アノード排管138BにはバルブV6が備えられており、更にその他端において反応器112の再生側と連結されている。また、アノード配管138Bには、燃焼エア供給管140Cの他端が接続された混合器154が備えられている。更に、燃焼エア供給管140Cには、バルブV8が備えられている。   The anode exhaust pipe 138B is provided with a valve V6, and is connected to the regeneration side of the reactor 112 at the other end. Further, the anode pipe 138B is provided with a mixer 154 to which the other end of the combustion air supply pipe 140C is connected. Further, the combustion air supply pipe 140C is provided with a valve V8.

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

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

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

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

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断面図である。図2に示すように、反応器112は、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担持部162と、触媒非担持部164及び166と、で構成されており、筒状体160は反応を行なうための空間を形成すると共に、触媒担持体として機能を担っている。   Next, the configuration of the reactor 112 and the reactor 114 will be described using the reactor 112 as an example. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the reactor. As shown in FIG. 2, the reactor 112 includes a cylindrical body 160 having a circular cross section whose both ends are closed, a catalyst supporting part 162 supported on the inner wall surface of the cylindrical body 160, and catalyst non-supporting parts 164 and 166. The cylindrical body 160 forms a space for carrying out the reaction and functions as a catalyst carrier.

筒状体160は、セラミックスハニカムからなる触媒担持部162と、その両端に備えられるセラミックスハニカムよりも熱伝導率の低いセラミックスハニカムからなる触媒非担持部164及び166とを直径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。反応器112は、中心に高熱伝導率を有する触媒担持部162と、ガスの出入り口付近に低熱伝導率を有する触媒非担持部164及び166を配置することで、反応器112の中央部に位置する触媒担持部162から熱が逃げるのを抑制でき、触媒担持部162の蓄熱性を向上させることができる。また、反応器112の軸方向(ガス流れ方向)に対して凸状の温度分布を構成しやすい。   The cylindrical body 160 includes a catalyst supporting portion 162 made of a ceramic honeycomb, and catalyst non-supporting portions 164 and 166 made of a ceramic honeycomb having lower thermal conductivity than the ceramic honeycomb provided at both ends thereof, and a circular cylinder having a cross section of 10 cm in diameter. A hollow body formed into a mold and closed at both ends in the longitudinal direction of the cylinder. 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. The reactor 112 is located at the center of the reactor 112 by disposing a catalyst supporting portion 162 having a high thermal conductivity at the center and catalyst non-supporting portions 164 and 166 having a low thermal conductivity in the vicinity of the gas inlet / outlet. The escape of heat from the catalyst carrier 162 can be suppressed, and the heat storage property of the catalyst carrier 162 can be improved. Further, it is easy to configure a temperature distribution that is convex with respect to the axial direction (gas flow direction) of the reactor 112.

尚、本実施の形態において、触媒担持部162全体の熱伝導率は、5〜10W/m・K程度あり、触媒非担持部164及び166の熱伝導率は1〜2W/m・K程度である。触媒担持部162と触媒非担持部164及び166との熱伝導率の比はおおよそ5〜10程度が好ましく、10程度が更に好ましい。   In this embodiment, the thermal conductivity of the entire catalyst support 162 is about 5 to 10 W / m · K, and the thermal conductivity of the non-catalysts 164 and 166 is about 1 to 2 W / m · K. is there. The thermal conductivity ratio between the catalyst supporting part 162 and the catalyst non-supporting parts 164 and 166 is preferably about 5 to 10, more preferably about 10.

反応器112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164及び166とし、これを除く全面を、触媒を担持する触媒担持部162としている。触媒担持部162に担持される触媒としては、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 reactor 112 has a catalyst around the curved surface of the cylindrical body wall in the vicinity of the center of the cylinder from the both ends of the cylindrical body in the cylinder direction, that is, at a predetermined distance A from both ends in the length direction. The catalyst non-supporting portions 164 and 166 that are not supported are used, and the entire surface excluding them is a catalyst supporting portion 162 that supports the catalyst. As the catalyst supported on the catalyst support 162, metals such as Pd, Ni, Pt, Rh, Ag, Ce, Cu, La, Mo, Mg, Sn, Ti, Y, and Zn can be used.

また、触媒担持部162は、セラミックスハニカム構造167a〜167i(以下、単に「セラミックスハニカム構造167」という場合がある。)が、金属ハニカム構造を有する板状部材169a〜169h(以下、単に「板状部材169」という場合がある。)で区切られた構成になっている。前記セラミックスハニカム構造167は板状部材169よりも触媒の担持能力が高いが、板状部材169は、セラミックスハニカム構造167よりも伝熱性が優れている。このように、触媒担持部162を複数のセラミックスハニカム構造167からなる触媒層と、複数の金属ハニカム構造を有する板状部材169からなる金属層と、を交互に積層した構造にすることで、触媒担持部162全体の触媒担持能を維持したまま、反応器112内の面内温度分布(図2においては矢印C方向の温度分布)を均一にすることができる。   Further, the catalyst support 162 has ceramic honeycomb structures 167a to 167i (hereinafter sometimes simply referred to as “ceramic honeycomb structure 167”), but plate-shaped members 169a to 169h (hereinafter simply referred to as “plate-shaped”) having a metal honeycomb structure. It may be referred to as “member 169”.). The ceramic honeycomb structure 167 has a higher catalyst supporting capacity than the plate-like member 169, but the plate-like member 169 has better heat transfer than the ceramic honeycomb structure 167. As described above, the catalyst supporting portion 162 has a structure in which a catalyst layer made up of a plurality of ceramic honeycomb structures 167 and a metal layer made up of plate-like members 169 having a plurality of metal honeycomb structures are alternately laminated, thereby forming a catalyst. The in-plane temperature distribution in the reactor 112 (temperature distribution in the direction of arrow C in FIG. 2) can be made uniform while maintaining the catalyst supporting ability of the entire supporting section 162.

尚、本実施の形態において、セラミックスハニカム構造167の熱伝導率は、2〜3W/m・K程度あり、板状部材169の熱伝導率は15〜30W/m・K程度である。また、セラミックスハニカム構造167と板状部材169との伝熱性の比はおおよそ5〜15程度が好ましく、15程度が更に好ましい。   In the present embodiment, the thermal conductivity of the ceramic honeycomb structure 167 is about 2 to 3 W / m · K, and the thermal conductivity of the plate member 169 is about 15 to 30 W / m · K. Further, the ratio of heat transfer between the ceramic honeycomb structure 167 and the plate member 169 is preferably about 5 to 15, more preferably about 15.

更に、触媒担持部162は、触媒非担持部164及び166よりも高い熱容量を有する。このように触媒担持部162の熱容量を触媒非担持部164及び166の熱容量よりも高くすることで、触媒担持部162に蓄えることのできる熱量が多くなり、より多くの改質反応を行えるようになる。このため、反応器の改質/再生反応の切替え回数を少なくすることができる。尚、本実施の形態において、触媒担持部162は、熱容量を大きくするためにセル構造4〜6mil、400〜600cpsi程度であり、触媒非担持部164及び166は熱容量を小さくするために、セル構造2〜mil、900〜600cpsi程度である。   Further, the catalyst supporting part 162 has a higher heat capacity than the catalyst non-supporting parts 164 and 166. Thus, by making the heat capacity of the catalyst supporting part 162 higher than the heat capacity of the catalyst non-supporting parts 164 and 166, the amount of heat that can be stored in the catalyst supporting part 162 increases, so that more reforming reactions can be performed. Become. For this reason, the number of switching of the reforming / regeneration reaction of the reactor can be reduced. In the present embodiment, the catalyst supporting part 162 has a cell structure of 4 to 6 mil and about 400 to 600 cpsi in order to increase the heat capacity, and the catalyst non-supporting parts 164 and 166 have a cell structure to reduce the heat capacity. It is about 2 to mil and 900 to 600 cpsi.

但し、本実施の形態においては、触媒担持部162の一部である触媒担持部162A(ハニカム構造167h〜167i)の熱容量が、触媒担持部162の他の部分に比して小さくなるように構成されている。このように、触媒担持部162の再生用燃料導入部側に低い熱容量の部位を設けることで、触媒担持部162の一部を改質可能温度にまで早くに上昇させることができる。これにより、システム起動時における改質反応の始動性を向上させることができ、速やかな水素生成を確保することができる。   However, in the present embodiment, the heat capacity of the catalyst carrier 162A (honeycomb structure 167h to 167i) which is a part of the catalyst carrier 162 is configured to be smaller than the other parts of the catalyst carrier 162. Has been. In this way, by providing a portion with a low heat capacity on the regeneration fuel introduction part side of the catalyst carrier 162, a part of the catalyst carrier 162 can be quickly raised to the reformable temperature. Thereby, the startability of the reforming reaction at the time of starting the system can be improved, and prompt hydrogen generation can be ensured.

触媒担持部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166で冷却され、水素含有ガスを燃料電池120の運転温度に近づけて供給できる。また、逆に改質反応から再生反応に切替えられた場合には、触媒非担持部166は水素含有ガスとの熱交換により昇温した状態にあり、水素含有ガスの排出方向とは逆向きに供給された燃焼用燃料であるアノードオフガスおよび燃焼エアは触媒非担持部166で予熱された後触媒担持部162に供給されるようになっている。これにより、触媒担持部162が備えられた筒状体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ばかりでなく、作動ガスが比較的低温で供給され、また、高温の反応帯を通過後再び比較的低温の状態で排出されるため、排ガスが顕熱として持ち去る熱が小さく抑えられるので、エネルギー効率的にも有利である。なお、筒状体160には、触媒の温度を計測するための温度センサ116が取付けられている。   When the reforming reaction is performed by the catalyst supporting unit 162, the reformed and generated hydrogen-containing gas is cooled by the catalyst non-supporting unit 166 on the downstream side in the gas discharge direction, and the hydrogen-containing gas is brought to the operating temperature of the fuel cell 120. Can be supplied close. On the other hand, when the reforming reaction is switched to the regeneration reaction, the catalyst non-supporting portion 166 is in a state of being heated by heat exchange with the hydrogen-containing gas, and is opposite to the discharge direction of the hydrogen-containing gas. The supplied anode fuel and combustion air are preheated by the catalyst non-supporting portion 166 and then supplied to the catalyst supporting portion 162. As a result, a temperature distribution in which the amount of heat storage becomes higher is formed near the center of the cylindrical body 160 provided with the catalyst support 162, and this temperature distribution is not only advantageous in terms of reactivity, but also the working gas is reduced. Since it is supplied at a relatively low temperature and is discharged again at a relatively low temperature after passing through a high-temperature reaction zone, the heat that the exhaust gas takes away as sensible heat is kept small, which is advantageous in terms of energy efficiency. The tubular body 160 is attached with a temperature sensor 116 for measuring the temperature of the catalyst.

また、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168が備えられている。更に、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。   Further, a fuel supply pipe 130B and a gas supply pipe 146C are connected to the reforming wall surface of the cylindrical body 160, and an injection device 168 is provided at the tip of the fuel supply pipe 130B. Further, a hydrogen-containing gas discharge pipe 134A and an anode discharge pipe 138B are connected to the wall surface on the regeneration side of the cylindrical body 160.

噴射装置168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に内装された触媒担持部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 the steam reforming reaction is performed in the reactor 112 during normal operation, the injection device 168 injects gasoline (reforming raw material) at a wide angle and is embedded in the cylindrical body 160 together with moisture contained in the cathode offgas. The supply and reaction on the catalyst support 162 can be performed. In this case, the hydrogen-containing gas generated by the steam reforming reaction is exhausted from the hydrogen-containing gas discharge pipe 134A and supplied to the fuel cell 120.

改質反応から切替えて反応器112にて再生反応を行う場合には、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に内装された触媒担持部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。   When the regeneration reaction is performed in the reactor 112 after switching from the reforming reaction, the catalyst carrier 162 provided in the cylindrical body 160 is supplied by supplying anode off-gas (and gasoline or hydrogen-containing gas if necessary). An anode off gas can be supplied to perform an oxidation reaction.

また、触媒担持部162に担持される触媒の担持量は、改質反応時における理想的な温度分布に基づいてそれぞれの部位によって異なる。即ち、セラミックスハニカム構造167a〜167iの各々に担持される触媒の担持量は、改質反応時における反応器112内の理想的な温度分布に対応して決定されている。   Further, the amount of the catalyst supported on the catalyst support 162 varies depending on each part based on the ideal temperature distribution during the reforming reaction. That is, the amount of the catalyst supported on each of the ceramic honeycomb structures 167a to 167i is determined in accordance with an ideal temperature distribution in the reactor 112 during the reforming reaction.

前記改質反応時における理想的な温度分布及び触媒担持部162に担持される触媒の担持量との関係について図3を用いて説明する。図3は、改質反応時における改質反応器内の理想的な温度分布と触媒の担持量との関係を説明するための説明図である。   The relationship between the ideal temperature distribution during the reforming reaction and the amount of catalyst supported on the catalyst support 162 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the relationship between an ideal temperature distribution in the reforming reactor and the amount of catalyst supported during the reforming reaction.

本実施の形態では図3に示すように、触媒担持部162の中心に温度ピークが位置するような温度分布を改質反応時における理想的な温度分布とする。また、触媒担持部162の触媒担持量は、図3に示すように、触媒担持部162の両端(ハニカム構造167a及び167i)の触媒担持量が一番多く、また、触媒担持部162の中心部(ハニカム構造167e)の触媒担持量が一番少なくなる凹状の分布を有している。   In the present embodiment, as shown in FIG. 3, a temperature distribution in which the temperature peak is located at the center of the catalyst support 162 is an ideal temperature distribution during the reforming reaction. Further, as shown in FIG. 3, the catalyst carrying amount of the catalyst carrying portion 162 is the largest at both ends (honeycomb structures 167a and 167i) of the catalyst carrying portion 162, and the central portion of the catalyst carrying portion 162. (Honeycomb structure 167e) has a concave distribution with the smallest amount of catalyst supported.

これは、図3に示す理想の温度分布であると、触媒担持部162の両端(ハニカム構造167a及び167i)の温度が低くなる。このため触媒担持部162の両端の触媒担持量を多くすることで改質反応を促進させる。これに対し、中心部(ハニカム構造167e)は高温になることから触媒の担持量が少なくても改質反応が促進される。このため、触媒担持量を少なくしても水素含有ガスの生成量を低下させないで、触媒が過度に凝集するのを防止することができる。   If this is the ideal temperature distribution shown in FIG. 3, the temperature of both ends (honeycomb structures 167a and 167i) of the catalyst supporting portion 162 is lowered. For this reason, the reforming reaction is promoted by increasing the amount of catalyst supported at both ends of the catalyst support 162. On the other hand, since the central portion (honeycomb structure 167e) is at a high temperature, the reforming reaction is promoted even if the amount of catalyst supported is small. For this reason, it is possible to prevent the catalyst from aggregating excessively without reducing the amount of hydrogen-containing gas produced even if the amount of catalyst supported is reduced.

尚、本実施の形態では段階的に触媒担持部162の触媒担持量が異なる態様としたが、本発明はこれに限定されず、目的とする温度分布に従って徐々に触媒担持量が異なるように構成することもできる。   In the present embodiment, the catalyst loading amount of the catalyst loading portion 162 is changed stepwise in a stepwise manner. However, the present invention is not limited to this, and the catalyst loading amount gradually varies according to the target temperature distribution. You can also

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 fuel cell 120 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the fuel cell in the present embodiment. As shown in FIG. 4, the hydrogen separation membrane fuel cell (HMFC) 120 includes a battery membrane 174 having a dense hydrogen permeable membrane using a hydrogen permeable metal, and an oxygen electrode (O 2) sandwiching the battery membrane 174. Electrode) 176 and a hydrogen electrode (H 2 electrode) 178. When the hydrogen-containing gas reformed and generated by the hydrogen generator 110 is supplied, hydrogen can be selectively permeated to perform power generation operation. It is like that.

酸素極176と電池膜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 oxygen electrode 176 and the battery film 174, an air flow path 180 for passing, that is, supplying and exhausting air (Air) as an oxidant gas is formed between the hydrogen electrode 178 and the battery film 174. A fuel flow path 182 for passing, that is, supplying and discharging hydrogen-rich fuel gas (here, reformed and produced hydrogen-containing gas) is formed. The oxygen electrode 176 and the hydrogen electrode 178 are made of various materials such as carbon (for example, carbon powder carrying platinum or an alloy composed of platinum and other metals) or an electrolyte solution (for example, Nafion Solution manufactured by Aldrich Chemical). Can be formed.

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 battery film 174 has a four-layer structure including a dense substrate (dense hydrogen permeable film made of hydrogen permeable metal) 184 formed of vanadium (V). Palladium (Pd) layers (dense hydrogen permeable membranes made of a hydrogen permeable material) 186 and 188 are arranged so as to sandwich the base material 184 from both sides, and are opposite to the side in contact with the base material 184 of one Pd layer 186. On the side surface, an electrolyte layer 190 made of BaCeO 3 (solid oxide) is further provided in a thin film shape.

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

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

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

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

図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7及び図8参照)。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 Pd layer 186 / base material 184 / Pd layer 188, that is, a laminated structure of two or more layers composed of different metals (dense film composed of a hydrogen permeable material). In this case, a metal diffusion suppression layer that suppresses diffusion of the different metals may be provided on at least a part of the contact interface of the different metals (for example, see FIGS. 7 and 8 described later). The metal diffusion suppressing layer is described in paragraph numbers [0015] to [0016] of JP-A No. 2004-146337.

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

また、電解質層190は固体酸化物からなり、Pd層186との界面の一部に、電解質層190中の酸素原子とPdとの反応を抑制する反応抑制層を設けてもよい(例えば後述の図7の反応抑制層210)。この反応抑制層については、特開2004−146337号公報の段落[0024]〜[0025]に記載されている。   The electrolyte layer 190 is made of a solid oxide, and a reaction suppression layer that suppresses the reaction between oxygen atoms in the electrolyte layer 190 and Pd may be provided at a part of the interface with the Pd layer 186 (for example, described later). Reaction suppression layer 210 in FIG. This reaction suppression layer is described in paragraphs [0024] to [0025] of JP-A No. 2004-146337.

電池膜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池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 battery membrane 174 is composed of a vanadium base material, which is a dense hydrogen-permeable material, and an inorganic electrolyte layer formed on the cathode side of the fuel cell 120, so that the battery membrane can be made thin. When applied to a high-temperature solid oxide fuel cell (SOFC) used, the operating temperature can be lowered to a temperature range of 300 to 600 ° C. As a result, the fuel cell system of the present invention that supplies the cathode off-gas discharged from the fuel cell directly to the PSR reformer that undergoes the reforming reaction can be suitably configured.

水素分離膜型の燃料電池120は、燃料流路182に水素(H2)密度の高い水素含有ガスが供給され、エア流路180に酸素(O2)を含む空気が供給されると、下記式(1)〜(3)で表される電気化学反応(電池反応)を起こして外部に電力を供給する。なお、式(1) 、式(2)は各々アノード側、カソード側での反応を示し、式(3)は燃料電池での全反応である。
2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
2+(1/2)O2 → H2O …(3)
When a hydrogen-containing gas having a high hydrogen (H 2 ) density is supplied to the fuel flow path 182 and air containing oxygen (O 2 ) is supplied to the air flow path 180, the hydrogen separation membrane type fuel cell 120 will be described below. Electricity is supplied to the outside by causing an electrochemical reaction (battery reaction) represented by the formulas (1) to (3). 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を用いて、各バルブの切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、その開閉及び切替えが制御部170によって制御されている。また、制御部170は温度センサ116及び温度センサ118に接続されており、反応器112及び反応器114内の温度をモニタリングすることができる。制御部170は、反応器112及び反応器114内の温度に従ってバルブ及びポンプを制御し、各反応器の改質反応から再生反応(燃焼反応)へとシフトすることができる。更に、制御部170は、各ポンプを制御することにより、ガソリン(改質用原料)、カソードガス等の供給量を制御することができる。   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 control unit 170. . The control unit 170 is connected to the temperature sensor 116 and the temperature sensor 118, and can monitor the temperature in the reactor 112 and the reactor 114. The controller 170 controls the valves and pumps according to the temperatures in the reactor 112 and the reactor 114, and can shift from the reforming reaction of each reactor to the regeneration reaction (combustion reaction). Furthermore, the control unit 170 can control the supply amount of gasoline (reforming raw material), cathode gas, and the like by controlling each pump.

次に本実施の形態における燃料電池システム100における通常時のガスの流れ及びその制御について図1を用いて説明する。図1において、太線で示された排管は、反応器112において改質反応を行い、反応器114において再生反応(燃焼反応)を行う場合において使用される管を示し、白抜きで示された排管は、かかる場合に使用されていない管を示す。また、図1に示されるバルブV1〜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, a normal gas flow and control in the fuel cell system 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the exhaust pipe indicated by a thick line indicates a pipe used when a reforming reaction is performed in the reactor 112 and a regeneration reaction (combustion reaction) is performed in the reactor 114, and is indicated by white lines. The drainage pipe indicates a pipe that is not used in such a case. In addition, among the valves V1 to V8 shown in FIG. 1, a valve shown in white means that the valve is open, and a valve shown in black means that the valve is closed.

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

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

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

この際、三方バルブSV7は、燃焼エア供給管140A及び140Bが連通するように調整されており、混合器139に燃焼エアを供給することができる。また、バルブV2は開状態に制御されている。   At this time, the three-way valve SV7 is adjusted so that the combustion air supply pipes 140A and 140B communicate with each other, and the combustion air can be supplied to the mixer 139. Further, the valve V2 is controlled to be open.

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

この際、反応器114にも反応器112と同様に、高い熱伝導率を有する触媒担持部と、前記触媒担持部の両端(改質側及び再生側)に熱伝導率の低い触媒非担持部が備えられている。まず、反応器114に燃焼エアと混合されたアノードオフガスが供給されると、アノードオフガスは触媒上で燃焼反応を起こし、反応器114の触媒担持部に熱が蓄積される。   At this time, in the reactor 114 as well as the reactor 112, a catalyst supporting part having a high thermal conductivity and a catalyst non-supporting part having a low thermal conductivity at both ends (reforming side and regeneration side) of the catalyst supporting part. Is provided. First, when an anode off gas mixed with combustion air is supplied to the reactor 114, the anode off gas causes a combustion reaction on the catalyst, and heat is accumulated in the catalyst support portion of the reactor 114.

燃焼反応のオフガスは、排出管142A及び142Bを介して反応器114から排出され、図示を省略する脱硫器等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が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 off-gas of the combustion reaction is discharged from the reactor 114 via the discharge pipes 142A and 142B, and is discharged outside the system via a desulfurizer or the like (not shown). At this time, the valve V4 provided in the discharge pipe 142A is controlled to be opened, and the valve V5 provided in the fuel supply pipe 130C is controlled to be closed.

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 cathode side of the fuel cell 120, air serving as an oxidant is supplied to the cathode of the fuel cell 120 through the cathode supply pipe 144 by driving the pump P <b> 3. Oxygen in the air supplied to the cathode reacts with protons that have passed through the electrolyte membrane and electrons that have passed through an external circuit (not shown) to produce water. The cathode off gas containing water is discharged to the gas supply pipe 146A.

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

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

次に、反応器112内の反応を改質反応から再生反応(燃焼反応)に切替える際の各バルブ及びポンプの制御について、図6を用いて説明する。図6は、第1の実施の形態における反応器112の改質反応から再生反応への移行制御を示す流れ図である。図6において制御部170は、まず反応器112(PSR1)内で改質反応を行うために、反応器112にガソリンとカソードオフガスとを供給する(ステップS111)。この際、反応器114(PSR2)には、アノードオフガスと燃焼エアとの混合ガスが供給されている。   Next, control of each valve and pump when the reaction in the reactor 112 is switched from the reforming reaction to the regeneration reaction (combustion reaction) will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart showing the transition control from the reforming reaction to the regeneration reaction of the reactor 112 in the first embodiment. In FIG. 6, the controller 170 first supplies gasoline and cathode off-gas to the reactor 112 in order to perform a reforming reaction in the reactor 112 (PSR1) (step S111). At this time, a mixed gas of the anode off gas and the combustion air is supplied to the reactor 114 (PSR2).

制御部170は、ガソリンとカソードオフガスとを反応器112に供給しながら、改質反応が行われている反応器112内の温度を温度センサ116によってモニタリングし、反応器112内の温度T1を検出する(ステップS112)。   The controller 170 monitors the temperature in the reactor 112 in which the reforming reaction is performed while supplying gasoline and cathode off-gas to the reactor 112, and detects the temperature T1 in the reactor 112. (Step S112).

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

一方、制御部170が、温度T1が閾値未満であると判断した場合は(ステップS113肯定)、反応器112へのガソリン及びカソードオフガスの供給を停止する(ステップS114)。この際、制御部170は、反応器114へのアノードオフガスの供給も停止する。   On the other hand, when the controller 170 determines that the temperature T1 is less than the threshold (Yes at Step S113), the supply of gasoline and cathode offgas to the reactor 112 is stopped (Step S114). At this time, the controller 170 also stops supplying the anode off gas to the reactor 114.

次いで、制御部170は、各反応器の改質/再生反応を切替え、反応器112にアノードオフガス及び燃焼エアを供給して、反応器112内の反応を再生反応に切替え、低下した反応器内の温度を再生反応(燃焼反応)により再生させると共に、反応器114にガソリン及びカソードオフガスを供給し、改質反応を行い切替え処理を終了する(ステップS115)。   Next, the control unit 170 switches the reforming / regeneration reaction of each reactor, supplies the anode off gas and combustion air to the reactor 112, switches the reaction in the reactor 112 to the regeneration reaction, and reduces the reduced reactor interior. Is regenerated by a regeneration reaction (combustion reaction), and gasoline and cathode off-gas are supplied to the reactor 114, a reforming reaction is performed, and the switching process is terminated (step S115).

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

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

次に、上述の第1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7〜図8を用いて説明する。なお、他の具体例についての詳細については特開2004−146337号公報の記載を参照することができる。   Next, another specific example of the hydrogen separation membrane fuel cell that can be diverted to the fuel cell 120 in the fuel cell system according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. For details about other specific examples, reference can be made to the description in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-146337.

図7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との間には前記同様に、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. 7 shows a battery film 202 having a five-layer structure including a dense substrate 212 formed of vanadium (V), an oxygen electrode (O 2 electrode) 204 and a hydrogen electrode (H 2 electrode) sandwiching the battery film 202. ) 206, and shows a hydrogen separation membrane fuel cell 200 having a metal diffusion suppression layer and a reaction suppression layer. The battery film 202 includes a dense metal diffusion suppression layer 214 and a palladium (Pd) layer 216 in order from the surface side on the surface of the base 212 on the hydrogen electrode (anode) 206 side. Further, a dense reaction suppression layer (for example, a proton conductor, a mixed conductor, or an insulator layer) 210 and a solid oxide are formed on the oxygen electrode (cathode) 204 side surface of the base material 212 in this order from the surface side. A thin electrolyte layer (for example, a metal oxide SrCeO 3 film which is one of perovskites) 208. The reaction suppression layer 210 has a function of suppressing the reaction between oxygen atoms in the electrolyte layer 208 and the base material (V) 212. Note that an air flow path 180 and a fuel flow path 182 are formed between the oxygen electrode 204 or the hydrogen electrode 206 and the battery membrane 202 in the same manner as described above. Details of the metal diffusion suppression layer and the reaction suppression layer are as described above.

図8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との間には前記同様に、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. 8 includes a battery film 302 having a dense hydrogen permeable film using a hydrogen permeable metal, and an oxygen electrode (O 2 electrode) 304 and a hydrogen electrode (H 2 electrode) 306 that sandwich the battery film 302. The solid polymer type hydrogen separation membrane fuel cell 300 is shown. The battery membrane 302 has, for example, a multilayer structure in which the surfaces on both sides of the electrolyte layer 312 made of a solid polymer membrane such as a Nafion (registered trademark) membrane are sandwiched between dense hydrogen permeable metal membranes. A palladium (Pd) layer (dense film) 314 is provided on the surface on the hydrogen electrode (anode) 306 side of 312, and a vanadium serving as a base material in order from the surface side on the surface on the oxygen electrode (cathode) 304 side of the electrolyte layer 312. -A nickel alloy (V-Ni) layer (dense film) 310 and a Pd layer (dense film) 308 are provided. As described above, an air channel 180 and a fuel channel 182 are formed between the oxygen electrode 304 or the hydrogen electrode 306 and the battery membrane 302, respectively. Also in the fuel cell 120, a metal diffusion suppression layer can be provided between the V-Ni layer 310 and the Pd layer 308, and a reaction occurs between the V-Ni layer 310 or the Pd layer 314 and the electrolyte layer 312. A suppression layer can be provided.

図8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膜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 solid polymer type fuel cell shown in FIG. 8, the hydrogen permeable membrane using the 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 can be 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.

以上のように第1の実施の形態においては、改質反応器の中心に高熱伝導率を有する触媒担持部を、また、ガスの出入り口付近に低熱伝導率を有する触媒非担持部を配置することで、熱が改質反応器の中央部に位置する触媒担持部から逃げにくくすることができ、触媒担持部の蓄熱性を向上させることができる。また、改質反応器の軸方向(ガス流れ方向)に対して凸状の温度分布を構成しやすい。これにより、水素生成装置並びに燃料電池システム全体の熱利用効率を高めることができる。   As described above, in the first embodiment, the catalyst supporting part having high thermal conductivity is arranged at the center of the reforming reactor, and the catalyst non-supporting part having low thermal conductivity is arranged in the vicinity of the gas inlet / outlet. Thus, it is possible to make it difficult for heat to escape from the catalyst carrying portion located in the center of the reforming reactor, and it is possible to improve the heat storage property of the catalyst carrying portion. Further, it is easy to form a temperature distribution that is convex with respect to the axial direction (gas flow direction) of the reforming reactor. Thereby, the heat utilization efficiency of the hydrogen generator and the entire fuel cell system can be increased.

また、第1の実施の形態においては、改質反応器の触媒担持部の熱容量を触媒非担持部の熱容量よりも高くすることで、触媒担持部に蓄えることのできる熱量を多くすることでき、より多くの改質反応を行えるようになる。このため、反応器の改質/再生反応の切替え回数を少なくすることができる。   Further, in the first embodiment, the amount of heat that can be stored in the catalyst supporting part can be increased by making the heat capacity of the catalyst supporting part of the reforming reactor higher than the heat capacity of the catalyst non-supporting part, More reforming reactions can be performed. For this reason, the number of switching of the reforming / regeneration reaction of the reactor can be reduced.

更に、第1の実施の形態においては、改質反応器の触媒担持部の構造を、触媒担持能に優れる触媒層と前記触媒層よりも伝熱性に優れる金属層との積層構造とすることで、触媒担持部全体の触媒担持能を維持したまま改質反応器内の面内温度分布を均一にすることができる。   Furthermore, in the first embodiment, the structure of the catalyst supporting part of the reforming reactor is a laminated structure of a catalyst layer having excellent catalyst supporting ability and a metal layer having better heat transfer than the catalyst layer. In addition, the in-plane temperature distribution in the reforming reactor can be made uniform while maintaining the catalyst supporting ability of the entire catalyst supporting portion.

また、第1の実施の形態においては、触媒担持部の触媒担持量が部位によって異なり、改質反応時における理想温度分布に従って、温度が高い部位の触媒担持量を少なくし、温度の低い部位の触媒担持量を多くすることで、水素含有ガスの生成効率を維持したまま、高熱により触媒が凝集するのを防止することができる。   Further, in the first embodiment, the amount of catalyst supported by the catalyst supporting portion varies depending on the site, and according to the ideal temperature distribution during the reforming reaction, the amount of catalyst supported at the higher temperature is reduced, and the temperature of the lower temperature portion is decreased. By increasing the amount of catalyst supported, it is possible to prevent the catalyst from agglomerating due to high heat while maintaining the generation efficiency of the hydrogen-containing gas.

(第2の実施の形態)
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。本実施の形態において説明する改質反応器は、第1の実施の形態の燃料電池システム100における反応器112及び114に転用可能な改質反応器である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The reforming reactor described in the present embodiment is a reforming reactor that can be diverted to the reactors 112 and 114 in the fuel cell system 100 of the first embodiment.

以下に図9を用いて第2の実施の形態における改質反応器について説明する。図9は、第2の実施の形態における反応器の構成を説明するための概略断面図である。図9に示すように、反応器412は、両端が閉塞された断面円形の筒状体460と、筒状体460の内壁面に担持された触媒担持部462と、触媒非担持部464及び466と、で構成されており、筒状体460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。   Hereinafter, the reforming reactor in the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the reactor in the second embodiment. As shown in FIG. 9, the reactor 412 includes a cylindrical body 460 having a circular cross-section with both ends closed, a catalyst supporting part 462 supported on the inner wall surface of the cylindrical body 460, and catalyst non-supporting parts 464 and 466. The cylindrical body 460 forms a space for carrying out the reaction and also functions as a catalyst carrier.

筒状体460は、セラミックスハニカムで一体化された触媒担持部462と、その両端に備えられるセラミックスハニカムを分割化した触媒非担持部464及び466とを直径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 460 is formed by forming a catalyst supporting portion 462 integrated with a ceramic honeycomb and catalyst non-supporting portions 464 and 466 obtained by dividing the ceramic honeycomb provided at both ends thereof into a cylindrical shape having a circular cross section with a diameter of 10 cm. A hollow body in which both ends in the length direction of the cylinder are closed. As the cross-sectional shape and size, an arbitrary shape and size such as a rectangle other than a circle and an ellipse can be selected according to the purpose and the like.

反応器412の中心に配置される触媒担持部462は、一体化されたセラミックスハニカムから構成されているため熱伝導率にロスがなく高い熱伝導率を有する。これに対し、反応器412のガスの出入り口付近に配置された触媒非担持部464及び466は、分割化されたセラミックスハニカムで構成されていることから、分割界面において熱伝導率にロスがあり、触媒担持部462と比較すると全体として熱伝導率が低くなっている。このため、第1の実施の形態における反応器112と同様に、反応器412の中央部に位置する触媒担持部462から熱が逃げにくくなり触媒担持部462の蓄熱性を向上させることができる。また、反応器412の軸方向(ガス流れ方向)に対して凸状の温度分布を構成しやすい。   The catalyst carrier 462 disposed at the center of the reactor 412 is composed of an integrated ceramic honeycomb, and thus has no loss in thermal conductivity and has high thermal conductivity. On the other hand, since the catalyst non-supporting portions 464 and 466 arranged in the vicinity of the gas inlet / outlet of the reactor 412 are composed of divided ceramic honeycombs, there is a loss in thermal conductivity at the divided interface, Compared with the catalyst support 462, the overall thermal conductivity is low. For this reason, similarly to the reactor 112 in the first embodiment, it is difficult for heat to escape from the catalyst carrier 462 located at the center of the reactor 412, and the heat storage property of the catalyst carrier 462 can be improved. Further, it is easy to configure a temperature distribution that is convex with respect to the axial direction (gas flow direction) of the reactor 412.

反応器112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Dの領域を、触媒を担持しない触媒非担持部464及び466とし、これを除く全面を、触媒を担持する触媒担持部462としている。触媒担持部462に担持される触媒としては、上述と同様に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。   Reactor 112 has a catalyst around the curved surface of the cylindrical body wall in the vicinity of the center of the cylinder from the both ends of the cylindrical body in the longitudinal direction, that is, at a predetermined distance D from both ends in the longitudinal direction. The catalyst non-supporting portions 464 and 466 that are not supported are used, and the entire surface excluding them is a catalyst supporting portion 462 that supports the catalyst. As the catalyst supported on the catalyst supporting part 462, metals such as Pd, Ni, Pt, Rh, Ag, Ce, Cu, La, Mo, Mg, Sn, Ti, Y, and Zn are used as described above. it can.

触媒担持部462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466で冷却され、水素含有ガスを燃料電池120の運転温度に近づけて供給できる。また、逆に改質反応から再生反応に切替えられた場合には、触媒非担持部466は水素含有ガスとの熱交換により昇温した状態にあり、水素含有ガスの排出方向とは逆向きに供給された燃焼用燃料であるアノードオフガスは触媒非担持部466で予熱された後触媒担持部462に供給されるようになっている。これにより、触媒担持部462が備えられた筒状体460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460には、触媒の温度を計測するための温度センサ116が取付けられている。   When the reforming reaction is performed by the catalyst supporting unit 462, the hydrogen-containing gas generated by reforming is cooled by the catalyst non-supporting unit 466 on the downstream side in the gas discharge direction, and the hydrogen-containing gas is brought to the operating temperature of the fuel cell 120. Can be supplied close. On the other hand, when the reforming reaction is switched to the regeneration reaction, the catalyst non-supporting portion 466 is in a state of being heated by heat exchange with the hydrogen-containing gas, and is opposite to the discharge direction of the hydrogen-containing gas. The supplied anode off-gas as combustion fuel is preheated by the catalyst non-supporting portion 466 and then supplied to the catalyst supporting portion 462. As a result, a temperature distribution in which the amount of heat storage becomes higher is formed near the center of the cylindrical body 460 provided with the catalyst support 462, and this temperature distribution is advantageous in terms of reactivity. The tubular body 460 is attached with a temperature sensor 116 for measuring the temperature of the catalyst.

また、筒状体460の改質側の壁面には、図1における燃料供給管130Bとガス供給管146Cとが接続されており、同様に燃料供給管130Bの先端部には噴射装置468が備えられている。更に、筒状体460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。   Further, the fuel supply pipe 130B and the gas supply pipe 146C in FIG. 1 are connected to the reforming side wall surface of the cylindrical body 460. Similarly, an injection device 468 is provided at the tip of the fuel supply pipe 130B. It has been. Further, a hydrogen-containing gas discharge pipe 134A and an anode discharge pipe 138B are connected to the wall surface on the regeneration side of the cylindrical body 460.

噴射装置468は、通常運転時に反応器412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460に内装された触媒担持部462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、図1における燃料電池120に供給される。   In the case of performing a steam reforming reaction in the reactor 412 during normal operation, the injection device 468 injects gasoline (reforming raw material) at a wide angle and is housed in a cylindrical body 460 together with moisture contained in the cathode offgas. The supply and reaction on the catalyst support 462 can be performed. In this case, the hydrogen-containing gas generated by the steam reforming reaction is exhausted from the hydrogen-containing gas discharge pipe 134A and supplied to the fuel cell 120 in FIG.

改質反応から切替えて反応器412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460に内装された触媒担持部462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。   When the regeneration reaction is performed in the reactor 412 after switching from the reforming reaction, an anode off-gas (and gasoline or a hydrogen-containing gas, if necessary) is supplied, so that the catalyst support 462 built in the cylindrical body 460 is provided. An anode off gas can be supplied to perform an oxidation reaction.

また、本実施の形態において触媒担持部462に改質側に担持される触媒の担持量は、再生側(水素含有ガスの排出(出口)側)に担持される触媒担持量よりも少なくなるように構成されている。第2の実施の形態における理想的な温度分布と触媒担持部462に担持される触媒の担持量との関係について図10を用いて説明する。図10は、第2の実施の形態における理想的な温度分布と触媒の担持量との関係を説明するための説明図である。   Further, in this embodiment, the amount of the catalyst supported on the reforming side by the catalyst supporting unit 462 is smaller than the amount of the catalyst supported on the regeneration side (discharge of hydrogen-containing gas (exit) side). It is configured. The relationship between the ideal temperature distribution and the amount of catalyst supported on the catalyst support 462 in the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the ideal temperature distribution and the amount of catalyst supported in the second embodiment.

本実施の形態では図10に示すように、反応器412内の温度分布のピークが触媒担持部462の再生側にくるように設定される。これは以下のような観点に基づくものである。まず、改質用ガス導入部位で触媒量が多いと改質側で改質用原料がやや過剰に反応してしまうため、触媒担持部内を理想の温度分布に保つことがむずかしくなってしまう場合がある。次に、水蒸気改質反応は吸熱反応であることから高温であるほど水蒸気改質反応が促進される。このため、触媒担持部462の水素含有ガスの出口側(再生側)の温度が低いと、水素含有ガスが元の原料に戻ってしまうことがある。更に、メタンの改質反応は、「CH4+H2O⇔3H2+CO」のように、可逆反応である。可逆反応は、温度が高いと再生側にピークが移動し、温度が低いと改質側にピークが移動する。このため、触媒担持部462の出口側(再生側)の温度が低いと、生成される水素ガスの量が減るため好ましくない場合がある。以上のような観点からは、反応器412内の温度ピークを触媒担持部462の再生側に合わせることが好ましく、触媒担持部462の再生側(出口側)に発熱反応に寄与する触媒の担持量を多くすることが好ましい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 10, the temperature distribution peak in the reactor 412 is set to be on the regeneration side of the catalyst support 462. This is based on the following viewpoints. First, if there is a large amount of catalyst at the reforming gas introduction site, the reforming raw material will react somewhat excessively on the reforming side, so it may be difficult to maintain the ideal temperature distribution inside the catalyst carrier. is there. Next, since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, the steam reforming reaction is promoted as the temperature increases. For this reason, when the temperature of the outlet side (regeneration side) of the hydrogen-containing gas in the catalyst support 462 is low, the hydrogen-containing gas may return to the original raw material. Further, the reforming reaction of methane is a reversible reaction such as “CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO”. In the reversible reaction, the peak moves to the regeneration side when the temperature is high, and the peak moves to the reforming side when the temperature is low. For this reason, if the temperature on the outlet side (regeneration side) of the catalyst carrier 462 is low, the amount of hydrogen gas produced may be unfavorable. From the above viewpoint, it is preferable to match the temperature peak in the reactor 412 to the regeneration side of the catalyst supporting unit 462, and the amount of catalyst supported on the regeneration side (exit side) of the catalyst supporting unit 462 contributes to the exothermic reaction. It is preferable to increase the number.

このため、本実施の形態においては図10に示すように触媒担持部462の再生側に温度ピークが位置するような温度分布を理想的な温度分布とする。従って、触媒担持部462の触媒担持量は、図10に示すように、触媒担持部462の再生側(図10における462C)の触媒担持量が一番多い。   For this reason, in this embodiment, as shown in FIG. 10, the temperature distribution in which the temperature peak is located on the regeneration side of the catalyst support 462 is set as an ideal temperature distribution. Therefore, as shown in FIG. 10, the catalyst carrying amount of the catalyst carrying unit 462 is the largest on the regeneration side of the catalyst carrying unit 462 (462C in FIG. 10).

但し、触媒担持部462の再生側(出口側)の温度が高ければよいとのことではなく、温度は平衡的な限界を示していることから、反応速度を稼ぐ観点からは、反応器412内全体である程度の熱量が必要となる。これらを総合的に勘案し、本実施の形態の反応器412における触媒担持部462の触媒担持量は、図10に示すように、触媒担持部462の改質側及び中心部(図10における462A及び462B)の触媒担持量を適量とし、触媒担持部462の再生側(図10における462C)の触媒担持量を一番多くしている。   However, the temperature on the regeneration side (exit side) of the catalyst support 462 is not necessarily high, and the temperature shows an equilibrium limit. From the viewpoint of increasing the reaction speed, the inside of the reactor 412 A certain amount of heat is required as a whole. Considering these comprehensively, as shown in FIG. 10, the catalyst carrying amount of the catalyst carrying portion 462 in the reactor 412 of this embodiment is the reforming side and the center portion of the catalyst carrying portion 462 (462A in FIG. 10). And 462B) are set to an appropriate amount, and the amount of catalyst supported on the regeneration side (462C in FIG. 10) of the catalyst supporting portion 462 is maximized.

以上のように第2の実施の形態においては、改質反応器の中心に高熱伝導率を有する一体化された触媒担持部を、また、ガスの出入り口付近に低熱伝導率を有する分割化された触媒非担持部を配置することで、熱が改質反応器の中央部に位置する触媒担持部から逃げにくくすることができ、触媒担持部の蓄熱性を向上させることができる。また、改質反応器の軸方向(ガス流れ方向)に対して凸状の温度分布を構成しやすい。これにより、水素生成装置並びに燃料電池システム全体の熱利用効率を高めることができる。   As described above, in the second embodiment, the integrated catalyst supporting portion having high thermal conductivity is formed at the center of the reforming reactor, and the gas is divided into portions having low thermal conductivity near the gas inlet / outlet. By disposing the catalyst non-supporting portion, heat can be made difficult to escape from the catalyst supporting portion located in the central portion of the reforming reactor, and the heat storage property of the catalyst supporting portion can be improved. Further, it is easy to form a temperature distribution that is convex with respect to the axial direction (gas flow direction) of the reforming reactor. Thereby, the heat utilization efficiency of the hydrogen generator and the entire fuel cell system can be increased.

また、第2の実施の形態においては、触媒担持部の触媒担持量が部位によって異なり、改質側の触媒担持量を再生側の触媒担持量よりも少なくすることで、改質用原料導入部位での過剰な水蒸気改質反応(吸熱反応)を抑制しながら、触媒担持部の再生側に温度ピークが位置するような温度分布とすることができる。これにより、さらに水素生成装置並びにシステム全体の熱の利用効率を高めることができる。   Further, in the second embodiment, the amount of catalyst supported in the catalyst supporting portion differs depending on the site, and the reforming material introduction site is reduced by making the reformed catalyst supported amount smaller than the regeneration-side catalyst supported amount. While suppressing the excessive steam reforming reaction (endothermic reaction) in the catalyst, the temperature distribution can be such that the temperature peak is located on the regeneration side of the catalyst supporting part. Thereby, the utilization efficiency of the heat | fever of a hydrogen generator and the whole system can be improved further.

また、本発明における改質反応器は上述のような構成に限定されるものではなく、例えば、触媒担持部の伝熱面積を大きくして伝熱効率を上げ、前記触媒担持部の両端に位置する触媒非担持部の伝熱面積を小さくして伝熱効率を下げることで、本発明の効果を奏することもできる。   In addition, the reforming reactor in the present invention is not limited to the above-described configuration. For example, the heat transfer area of the catalyst supporting part is increased to increase the heat transfer efficiency, and the reforming reactor is positioned at both ends of the catalyst supporting part. The effect of the present invention can also be achieved by reducing the heat transfer area by reducing the heat transfer area of the catalyst non-supporting portion.

また、本発明における反応器は図11に示すように熱伝導率の低い部材で外部を覆うように構成してもよい。図11は、本発明の改質反応器の他の例を示す概略図である。図11に示すように本発明においては例えば図1における反応器112を熱伝導率の低い外覆部材500で覆うことにより、更に反応器112の蓄熱性を向上させることができる。外覆部材500としては、例えば、シリカ、アルミナ等の無機繊維質、セラミックスファイバー等を用いることができる。   Moreover, you may comprise the reactor in this invention so that the exterior may be covered with a member with low heat conductivity, as shown in FIG. FIG. 11 is a schematic view showing another example of the reforming reactor of the present invention. As shown in FIG. 11, in the present invention, for example, by covering the reactor 112 in FIG. 1 with an outer covering member 500 having a low thermal conductivity, the heat storage property of the reactor 112 can be further improved. As the outer covering member 500, for example, inorganic fibers such as silica and alumina, ceramic fibers, and the like can be used.

第1の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the fuel cell system of 1st Embodiment. 反応器の構成を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the structure of a reactor. 改質反応時における改質反応器内の理想的な温度分布と触媒の担持量との関係を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the relationship between the ideal temperature distribution in the reforming reactor at the time of reforming reaction, and the load of a catalyst. 第1の実施の形態における燃料電池を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the fuel cell in 1st Embodiment. バルブ制御を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating valve control. 第1の実施の形態における反応器412の改質反応から再生反応への移行制御を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the transition control from the reforming reaction of the reactor 412 in 1st Embodiment to regeneration reaction. 本発明における燃料電池の他の例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the other example of the fuel cell in this invention. 本発明における燃料電池の他の例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the other example of the fuel cell in this invention. 第2の実施の形態における反応器の構成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 structure of the reactor in 2nd Embodiment. 第2の実施の形態における理想的な温度分布と触媒の担持量との関係を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the relationship between the ideal temperature distribution and the load of a catalyst in 2nd Embodiment. 本発明の改質反応器の他の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other example of the reforming reactor of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 燃料電池システム
110 水素生成装置
112,114,412 反応器
120,200,300 燃料電池
162,462 触媒担持部
164,166,464,466 触媒非担持部
170 制御部
184,212 基材
186,188,216,308,314 パラジウム(Pd)層
190,208,312 電解質層
310 バナジウム−ニッケル合金(V−Ni)層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Fuel cell system 110 Hydrogen generator 112,114,412 Reactor 120,200,300 Fuel cell 162,462 Catalyst support part 164,166,464,466 Catalyst non-support part 170 Control part 184,212 Base material 186,188 , 216, 308, 314 Palladium (Pd) layer 190, 208, 312 Electrolyte layer 310 Vanadium-nickel alloy (V-Ni) layer

Claims (9)

触媒を担持した触媒担持部、及び、前記触媒担持部のガス流れ方向における両端部に設けられ且つ前記触媒担持部よりも熱伝導率が低い触媒非担持部を備え、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の改質反応によって水素含有ガスを生成し、発熱用原料が供給されたときには前記発熱用原料の発熱反応によって前記触媒を加熱し、前記改質反応と前記発熱反応とが切り替え可能な一対の改質反応器と、
前記改質反応器の前記改質反応と前記発熱反応とが交互に行われるように、前記改質反応器に供給される原料を前記改質用原料及び前記発熱用原料のいずれかに切り替える制御手段と、
を備えた水素生成装置。
A catalyst supporting part supporting the catalyst, and a catalyst non-supporting part provided at both ends in the gas flow direction of the catalyst supporting part and having a lower thermal conductivity than the catalyst supporting part, are supplied with the reforming raw material. When the catalyst is heated, a hydrogen-containing gas is generated by a reforming reaction of the reforming raw material on the heated catalyst, and when the exothermic raw material is supplied, the catalyst is heated by an exothermic reaction of the exothermic raw material, and the reforming is performed. A pair of reforming reactors capable of switching between a quality reaction and the exothermic reaction;
Control for switching the raw material supplied to the reforming reactor to either the reforming raw material or the exothermic raw material so that the reforming reaction and the exothermic reaction of the reforming reactor are alternately performed. Means,
A hydrogen generation apparatus comprising:
前記触媒担持部の熱容量が前記触媒非担持部の熱容量よりも高い請求項1に記載の水素生成装置。   The hydrogen generation apparatus according to claim 1, wherein a heat capacity of the catalyst supporting part is higher than a heat capacity of the catalyst non-supporting part. 前記触媒担持部に担持される前記触媒の担持量を、部位に応じて異なるようにした請求項1又は2に記載の水素生成装置。   The hydrogen generating apparatus according to claim 1 or 2, wherein the amount of the catalyst supported on the catalyst supporting portion is varied depending on a part. 前記触媒担持部に担持される前記触媒の担持量を、改質反応時における前記改質反応器内の温度分布に従って異なるようにした請求項3に記載の水素生成装置。   4. The hydrogen generator according to claim 3, wherein the amount of the catalyst supported on the catalyst supporting unit is made different according to the temperature distribution in the reforming reactor during the reforming reaction. 前記触媒担持部に担持される前記触媒の担持量を、前記改質反応時における前記改質反応器内の温度分布に従って、前記触媒担持部の温度が高い部位ほど少なくした請求項4に記載の水素生成装置。   The amount of the catalyst supported on the catalyst supporting part is decreased as the temperature of the catalyst supporting part is higher in accordance with the temperature distribution in the reforming reactor during the reforming reaction. Hydrogen generator. 前記触媒担持部の前記改質用原料が供給される側に担持される前記触媒の担持量を、前記水素含有ガスを排出する側の担持量よりも少なくした請求項1又は2に記載の水素生成装置。   The hydrogen according to claim 1 or 2, wherein an amount of the catalyst supported on the side on which the reforming raw material is supplied of the catalyst supporting unit is smaller than an amount supported on the side of discharging the hydrogen-containing gas. Generator. 前記制御手段は、前記一対の改質反応器の前記改質反応及び前記発熱反応をそれぞれ交互に切替えて、一方の前記改質反応器が改質反応を行うと共に他方の前記改質反応器が発熱反応をおこなうようにした請求項1〜6のいずれか1項に記載の水素生成装置。   The control means alternately switches the reforming reaction and the exothermic reaction of the pair of reforming reactors so that one reforming reactor performs the reforming reaction and the other reforming reactor The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 6, wherein an exothermic reaction is performed. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の水素生成装置と、
前記改質反応器で改質生成された水素含有ガスの供給により発電する燃料電池と、
を備えた燃料電池システム。
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 7,
A fuel cell that generates electricity by supplying a hydrogen-containing gas reformed and produced in the reforming reactor;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池は、水素透過性金属層と、前記水素透過性金属層の少なくとも片側に配置された電解質層と、を備えた請求項8に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 8, wherein the fuel cell includes a hydrogen permeable metal layer and an electrolyte layer disposed on at least one side of the hydrogen permeable metal layer.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010040416A (en) * 2008-08-07 2010-02-18 Toto Ltd Reformer unit for fuel cell and fuel cell module
JP2010040313A (en) * 2008-08-05 2010-02-18 Toto Ltd Fuel cell module
JP2015523910A (en) * 2012-06-08 2015-08-20 アルケマ フランス Catalytic reaction using reverse flow regeneration

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