JP2007141772A - Fuel cell system - Google Patents

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博史 青木
Takashi Shimazu
孝 志満津
Hiroyuki Mitsui
宏之 三井
Shinya Morishita
真也 森下
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a fuel cell system in which hydrogen concentration in a reformed gas supplied from a reactor to a fuel cell is high and hydrogen utilization rate of the fuel cell is improved. <P>SOLUTION: The fuel cell system 10 is provided with a reactor 26 which produces hydrogen-contained reformed gas from a hydrocarbon material supplied by a reforming reaction including steam reforming reaction, a fuel cell 12 which generates power by being supplied to an anode electrode 16 with hydrogen-contained gas produced in the reactor 26, a gas separator 44 which selectively separates hydrogen and steam from an anode off-gas exhausted from the anode electrode 16 of the fuel cell 12 and obtains separation gas, and a separation gas supply line 50 which supplies the separation gas separated by the separator 44 to the reactor 26, and a scavenging pump 52. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、炭化水素を改質して生成した水素含有の改質ガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system in which hydrogen-containing reformed gas generated by reforming hydrocarbons is supplied to a fuel cell to generate power.

改質反応によって炭化水素原料から水素を含有する改質ガスを生成し、この改質ガスを発電燃料として固体高分子形燃料電池(PEFC)に供給する燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。この文献記載の燃料電池システムでは、PEFCのカソードオフガスを改質器の水蒸気入口に戻し、該カソードオフガス中の水蒸気が水蒸気改質反応に供されるようになっている。また、この文献記載の燃料電池システムでは、改質反応を行う改質部を加熱するための燃焼器に燃料としてアノードオフガスを供給する構成も開示されている。
特開2002−289245明細書
There is known a fuel cell system that generates a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon raw material by a reforming reaction and supplies the reformed gas as a power generation fuel to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) (for example, Patent Document 1). In the fuel cell system described in this document, the cathode offgas of PEFC is returned to the steam inlet of the reformer, and the steam in the cathode offgas is used for the steam reforming reaction. Further, the fuel cell system described in this document also discloses a configuration in which anode off-gas is supplied as fuel to a combustor for heating a reforming section that performs a reforming reaction.
JP 2002-289245 A

しかしながら、上記の如き従来の技術では、アノードオフガスに含まれる水素を排気又は燃焼器で燃焼するため、改質反応で得た水素の有効利用の観点から改善の余地がある。   However, in the conventional techniques as described above, since hydrogen contained in the anode off gas is combusted by exhaust or a combustor, there is room for improvement from the viewpoint of effective utilization of hydrogen obtained by the reforming reaction.

本発明は、上記事実を考慮して、反応器から燃料電池に供給される改質ガス中の水素濃度が高くなり、燃料電池の水素利用率が向上する燃料電池システムを得ることが目的である。   In view of the above facts, an object of the present invention is to obtain a fuel cell system in which the hydrogen concentration in the reformed gas supplied from the reactor to the fuel cell is high and the hydrogen utilization rate of the fuel cell is improved. .

上記目的を達成するために請求項1記載の発明に係る燃料電池システムは、水蒸気改質反応を含む改質反応によって供給された炭化水素原料から水素を含有する改質ガスを生成するための反応器と、前記反応器で生成された改質ガスがアノード電極に供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池のアノード電極から排出されたアノードオフガスから、水素及び水蒸気を選択的に分離して分離ガスを得るためのガス分離器と、前記ガス分離器が分離した前記分離ガスを前記反応器に供給するための分離ガス供給手段と、を備えている。   In order to achieve the above object, a fuel cell system according to claim 1 is a reaction for generating a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon raw material supplied by a reforming reaction including a steam reforming reaction. Hydrogen and water vapor are selectively separated from the reactor, the fuel cell in which the reformed gas generated in the reactor is supplied to the anode electrode to generate power, and the anode off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell. A gas separator for obtaining a separation gas, and a separation gas supply means for supplying the separation gas separated by the gas separator to the reactor.

請求項1記載の燃料電池システムでは、反応器において炭化水素原料を改質して生成した改質ガスがアノード電極に供給された燃料電池は、この改質ガスを消費して発電を行いつつ、発電により消費しなかったガスをアノードオフガスとして排出する。アノードオフガスは、ガス分離器によって、燃料電池で消費されなかった水素及び水蒸気を主成分とする分離ガスと、残余のガスとに分離される。   In the fuel cell system according to claim 1, the fuel cell in which the reformed gas generated by reforming the hydrocarbon raw material in the reactor is supplied to the anode electrode is configured to generate power while consuming the reformed gas, The gas not consumed by the power generation is discharged as anode off gas. The anode off gas is separated by the gas separator into a separation gas mainly composed of hydrogen and water vapor that has not been consumed in the fuel cell, and the remaining gas.

そして、分離ガスは、分離ガス供給手段によって反応器に供給される。分離ガス中の水蒸気は、水蒸気改質反応に利用され、分離ガス中の水素は反応器を経由して(改質ガス中の成分として水素濃度を高めつつ)燃料電池に再度導入される。   Then, the separation gas is supplied to the reactor by the separation gas supply means. The water vapor in the separation gas is used for the steam reforming reaction, and the hydrogen in the separation gas is reintroduced into the fuel cell via the reactor (while increasing the hydrogen concentration as a component in the reformed gas).

このように、請求項1記載の燃料電池システムでは、反応器から燃料電池に供給される改質ガスの水素濃度が高くなり、燃料電池の水素利用率が向上する。そして、ガス分離器を設けることで、アノードオフガス中の改質反応促進に寄与する成分である水蒸気、及び燃料電池での発電に直接寄与する成分である水素を選択的に反応器に供給するため、システム全体のガス有効利用(マテリアルバランスの良好化)が図られる。   Thus, in the fuel cell system according to claim 1, the hydrogen concentration of the reformed gas supplied from the reactor to the fuel cell is increased, and the hydrogen utilization rate of the fuel cell is improved. And by providing a gas separator, in order to selectively supply to the reactor water vapor, which is a component that contributes to promoting the reforming reaction in the anode off-gas, and hydrogen, which is a component that directly contributes to power generation in the fuel cell. Effective use of gas in the entire system (improvement of material balance) is achieved.

請求項2記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、プロトン導伝性の電解質を有し、発電に伴ってカソード電極側で水が生成される構成とされている。   A fuel cell system according to a second aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first aspect, wherein the fuel cell has a proton-conducting electrolyte, and water is generated on the cathode electrode side during power generation. It is set as the structure.

請求項2記載の燃料電池システムでは、燃料電池は、発電に伴って、アノード電極に供給された改質ガス中の水素がプロトン化され、このプロトン(水素イオン)がカソード電極に移動して酸素と反応し、該カソード電極で水(水蒸気)が生成される。したがって、アノードオフガスすなわち分離ガス中の水蒸気は、主に改質ガスに含まれていた水蒸気であり、反応器に供給されて該反応器内の水蒸気濃度を高める補助的機能を果たす。このように、本燃料電池システムは、発電に伴いカソード電極側で水が生成される燃料電池を備える構成においても、反応器から燃料電池に供給される改質ガスの水素濃度を高め、水蒸気改質反応を促進する。   In the fuel cell system according to claim 2, in the fuel cell, hydrogen in the reformed gas supplied to the anode electrode is protonated with power generation, and the proton (hydrogen ion) moves to the cathode electrode to generate oxygen. And water (water vapor) is generated at the cathode electrode. Therefore, the water vapor in the anode off-gas, that is, the separation gas, is mainly water vapor contained in the reformed gas, and is supplied to the reactor to perform an auxiliary function of increasing the water vapor concentration in the reactor. As described above, the present fuel cell system also increases the hydrogen concentration of the reformed gas supplied from the reactor to the fuel cell, even in the configuration including the fuel cell in which water is generated on the cathode electrode side as the power is generated. Promote quality reactions.

請求項3記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項2記載の燃料電池システムにおいて、前記カソード電極から排出されたカソードオフガスを前記反応器に供給するためのカソードオフガス供給手段をさらに備えている。   A fuel cell system according to a third aspect of the present invention is the fuel cell system according to the second aspect, further comprising a cathode offgas supply means for supplying the cathode offgas discharged from the cathode electrode to the reactor. .

請求項3記載の燃料電池システムでは、発電に伴って生成された水(水蒸気)を含むカソードオフガスが反応器に供給され、このカソードオフガス中の水蒸気が主に反応器における水蒸気改質反応に供される。一方、アノードオフガスから分離された分離ガス中の水蒸気は、補助的に反応器に供給されて反応器内の水蒸気濃度を高め、水蒸気改質反応を促進する。すなわち、システム内で生成された水蒸気によって水蒸気改質反応を維持し、かつ、この水蒸気改質反応を促進して水素生成量を増大することが可能になる。   In the fuel cell system according to claim 3, cathode offgas containing water (steam) generated during power generation is supplied to the reactor, and steam in the cathode offgas is mainly used for steam reforming reaction in the reactor. Is done. On the other hand, the water vapor in the separated gas separated from the anode off-gas is supplementarily supplied to the reactor to increase the water vapor concentration in the reactor and promote the steam reforming reaction. That is, it becomes possible to maintain the steam reforming reaction with the steam generated in the system and to promote the steam reforming reaction to increase the amount of hydrogen generation.

請求項4記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項1乃至請求項3の何れか1項記載の燃料電池システムにおいて、燃料を燃焼することで生じた熱を前記反応器に供給するための加熱部と、前記ガス分離器によって前記アノードオフガスから前記分離ガスが分離された残余ガスを、前記加熱部に燃料として供給するための燃料供給手段と、をさらに備えた。   A fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, wherein the heat generated by burning the fuel is supplied to the reactor. The apparatus further includes a heating unit, and a fuel supply unit configured to supply the residual gas obtained by separating the separation gas from the anode off-gas by the gas separator as fuel to the heating unit.

請求項4記載の燃料電池システムでは、加熱部から燃焼熱の供給を受けた反応器において、炭化水素原料と水蒸気とが反応する水蒸気改質反応(を含む反応)が行われ、水素及び水素以外の可燃成分(一酸化炭素、メタン、未改質の炭化水素等)を含む改質ガスが生成される。この改質ガスが燃料電池のアノード電極に供給されて該燃料電池による発電が行われる。アノードオフガスは、ガス分離器によって、可燃成分として主に水素を含む分離ガスと、水素以外の可燃成分を主に含む残余ガスとに分離される。   In the fuel cell system according to claim 4, in a reactor that is supplied with combustion heat from a heating unit, a steam reforming reaction (including a reaction) in which a hydrocarbon raw material reacts with steam is performed, and other than hydrogen and hydrogen The reformed gas containing the combustible components (carbon monoxide, methane, unreformed hydrocarbon, etc.) is generated. The reformed gas is supplied to the anode electrode of the fuel cell, and power generation by the fuel cell is performed. The anode off gas is separated by a gas separator into a separation gas mainly containing hydrogen as a combustible component and a residual gas mainly containing a combustible component other than hydrogen.

ここで、水素以外の可燃ガスを含む残余ガスが燃料として加熱部に供給されるため、残余ガスの有効利用が図られ、燃料電池システムの全体の効率が向上する。また、水素の加熱部における燃料としての利用が抑制されるので、燃料電池における水素利用率の向上が図られる。   Here, since the residual gas containing combustible gas other than hydrogen is supplied to the heating unit as fuel, the residual gas is effectively used, and the overall efficiency of the fuel cell system is improved. In addition, since the use of hydrogen as a fuel in the heating unit is suppressed, the hydrogen utilization rate in the fuel cell can be improved.

請求項5記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項1乃至請求項4の何れか1項記載の燃料電池システムにおいて、前記反応器の状態に応じた信号を出力する検出器と、前記検出器の検出結果に基づいて、前記分離ガス供給手段による前記燃料電池の燃料入口への前記分離ガスの供給量を制御する制御装置と、をさらに備えた。   A fuel cell system according to a fifth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to fourth aspects, wherein the detector outputs a signal corresponding to the state of the reactor, and the detection And a control device for controlling the supply amount of the separation gas to the fuel inlet of the fuel cell by the separation gas supply means based on the detection result of the vessel.

請求項5記載の燃料電池システムでは、例えば反応器による水素生成量や反応器の温度等の状態が検出器にて検出され、この検出結果に基づいて制御装置が分離ガス供給手段による分離ガスの反応器への供給量を制御するため、運転状態が変化しやすい燃料電池システムにおいても全体の効率向上を図ることが可能になる。   In the fuel cell system according to claim 5, for example, the state of the reactor such as the amount of hydrogen produced by the reactor and the temperature of the reactor is detected by the detector, and based on the detection result, the control device Since the supply amount to the reactor is controlled, it is possible to improve the overall efficiency even in the fuel cell system in which the operating state easily changes.

請求項6記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項1乃至請求項5の何れか1項記載の燃料電池システムにおいて、前記分離ガス供給手段は、前記ガス分離器における前記分離ガスの出口部と前記反応器の分離ガス入口とを結ぶ分離ガス供給ラインに設けられたガスポンプによって、前記分離ガスを前記反応器の分離ガス入口に供給する。   The fuel cell system according to a sixth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to fifth aspects, wherein the separation gas supply means is an outlet of the separation gas in the gas separator. The separation gas is supplied to the separation gas inlet of the reactor by a gas pump provided in a separation gas supply line that connects the separation gas inlet of the reactor.

請求項6記載の燃料電池システムでは、ガスポンプの動作によって、アノードオフガスから分離された分離ガスが反応器の分離ガス入口に確実に供給される。また、ガスポンプによる分離ガスの供給量を制御する構成では、該制御が容易である。   In the fuel cell system according to the sixth aspect, the separation gas separated from the anode off-gas is reliably supplied to the separation gas inlet of the reactor by the operation of the gas pump. Further, in the configuration in which the supply amount of the separation gas by the gas pump is controlled, the control is easy.

請求項7記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項1乃至請求項5の何れか1項記載の燃料電池システムにおいて、前記分離ガス供給手段は、前記反応器に前記原料又はカソードオフガスを供給する改質反応ガス供給ラインに設けたエジェクタによって、前記分離ガスを前記反応器に供給する。   A fuel cell system according to a seventh aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to fifth aspects, wherein the separation gas supply means supplies the raw material or cathode off gas to the reactor. The separation gas is supplied to the reactor by an ejector provided in the reforming reaction gas supply line.

請求項7記載の燃料電池システムでは、エジェクタの動作によってアノードオフガスから分離された分離ガスが改質反応ガス供給ラインに合流するため、動力が不要で構造が簡単である。   In the fuel cell system according to the seventh aspect, since the separated gas separated from the anode off-gas by the operation of the ejector joins the reforming reaction gas supply line, no power is required and the structure is simple.

請求項8記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項1乃至請求項7の何れか1項記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス分離器は、多孔体分離膜を含んで構成されている。   A fuel cell system according to an eighth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to seventh aspects, wherein the gas separator includes a porous body separation membrane.

請求項8記載の燃料電池システムでは、ガス分離器が、例えばポリイミドやセラミック等の多孔体にて構成された多孔体分離膜を含むため、水素及び水蒸気の選択性が高い。このため、アノードオフガス中の水素及び水蒸気を効果的に分離して反応器(分離ガス入口、改質反応ガス供給ライン等)に戻すことができる。   In the fuel cell system according to claim 8, since the gas separator includes a porous body separation membrane composed of a porous body such as polyimide or ceramic, the selectivity of hydrogen and water vapor is high. For this reason, hydrogen and water vapor in the anode off-gas can be effectively separated and returned to the reactor (separated gas inlet, reformed reaction gas supply line, etc.).

以上説明したように本発明に係る燃料電池システムは、反応器から燃料電池に供給される改質ガスの水素濃度が高くなり、燃料電池の水素利用率が向上するという優れた効果を有する。   As described above, the fuel cell system according to the present invention has an excellent effect that the hydrogen concentration of the reformed gas supplied from the reactor to the fuel cell is increased and the hydrogen utilization rate of the fuel cell is improved.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10について、図1に基づいて説明する。図1には、燃料電池システム10のシステム構成図(プロセスフローシート)が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム10は、水素を消費して発電を行う燃料電池12と、燃料電池12に供給するための水素含有の改質ガスを生成するための改質装置(改質器)14とを主要構成要素として構成されている。   A fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a system configuration diagram (process flow sheet) of the fuel cell system 10. As shown in this figure, the fuel cell system 10 includes a fuel cell 12 that generates power by consuming hydrogen, and a reformer (modified) for generating hydrogen-containing reformed gas to be supplied to the fuel cell 12. 14) as main components.

燃料電池12は、この実施形態では高分子電解質型燃料電池(PEFC)やリン酸型燃料電池(PAFC)等と同様の原理で作動するプロトン導伝型の燃料電池とされている。具体的には、燃料電池12は、図2に模式的に示される如く、アノード電極(燃料極)16とカソード電極(空気極)18との間に、プロトン導伝性を有する電解質20を挟んで構成されている。また、燃料電池12には、改質ガス(水素)をアノード電極16に導入するためのアノード流路22と、酸素を含有するカソード用空気をカソード電極に導入するためのカソード流路24とを備えている。   In this embodiment, the fuel cell 12 is a proton-conducting fuel cell that operates on the same principle as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), or the like. Specifically, as schematically shown in FIG. 2, the fuel cell 12 sandwiches an electrolyte 20 having proton conductivity between an anode electrode (fuel electrode) 16 and a cathode electrode (air electrode) 18. It consists of Further, the fuel cell 12 includes an anode channel 22 for introducing reformed gas (hydrogen) into the anode electrode 16 and a cathode channel 24 for introducing cathode air containing oxygen into the cathode electrode. I have.

この燃料電池12は、アノード電極16では、アノード流路22の燃料入口22Aから供給された改質ガス中の水素が電子を放出してプロトン化され、このプロトン(水素イオン)は、電解質20を経由してアノード電極16からカソード電極に移動する。一方、カソード電極18では、電解質20を経由して到達したプロトンと、アノード電極16から図示しない外部負荷を経由して到達した電子と、カソード流路24の空気入口24Aから導入したカソード用空気中の酸素とが反応して水が生成されるようになっている。   In the fuel cell 12, in the anode electrode 16, hydrogen in the reformed gas supplied from the fuel inlet 22 </ b> A of the anode flow channel 22 releases electrons to be protonated, and the protons (hydrogen ions) are passed through the electrolyte 20. Via, it moves from the anode electrode 16 to the cathode electrode. On the other hand, in the cathode electrode 18, protons reached via the electrolyte 20, electrons reached from the anode electrode 16 via an external load (not shown), and cathode air introduced from the air inlet 24 </ b> A of the cathode channel 24. The water reacts with oxygen to produce water.

したがって、燃料電池12では、発電に伴ってカソード電極18側で水が生成され、この水はカソードオフガスの一部である水蒸気としてカソード流路24のオフガス出口24Bから燃料電池12外に排出されるようになっている。この燃料電池12は、例えば300℃〜700℃程度の中温域で運転される構成とされている。   Therefore, in the fuel cell 12, water is generated on the cathode electrode 18 side with power generation, and this water is discharged out of the fuel cell 12 from the offgas outlet 24 </ b> B of the cathode channel 24 as water vapor that is part of the cathode offgas. It is like that. The fuel cell 12 is configured to be operated in an intermediate temperature range of about 300 ° C. to 700 ° C., for example.

改質装置14は、燃料電池12のアノード電極16に供給するための水素含有の改質ガスを生成する改質部としての反応器26と、反応器26が改質反応を行うための熱を供給するための加熱部28とを主要構成要素として構成されている。反応器26は、図示しない改質触媒を内蔵しており、供給される炭化水素ガス(ガソリン、メタノール、天然ガス等)と改質用ガス(水蒸気)を触媒反応させることで、水素ガスを含む改質ガスを生成する(改質反応を行う)ようになっている。   The reformer 14 includes a reactor 26 as a reforming unit that generates a hydrogen-containing reformed gas to be supplied to the anode electrode 16 of the fuel cell 12, and heat for the reactor 26 to perform a reforming reaction. The heating part 28 for supplying is comprised as a main component. The reactor 26 has a built-in reforming catalyst (not shown), and contains hydrogen gas by catalytically reacting the supplied hydrocarbon gas (gasoline, methanol, natural gas, etc.) and the reforming gas (steam). A reformed gas is generated (reforming reaction is performed).

反応器26における改質反応には、以下の式(1)乃至(4)で表されるように、式(1)で示す水蒸気改質反応を含む各反応が含まれる。したがって、改質工程で得た改質ガスには、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素(Cxy)等の可燃性ガス、及び二酸化炭素(CO2)、水(H2O)等の不燃性ガスを含むようになっている。 The reforming reaction in the reactor 26 includes each reaction including the steam reforming reaction represented by the formula (1) as represented by the following formulas (1) to (4). Thus, the reformed gas obtained in the reforming process, the hydrogen (H 2), carbon monoxide (CO), methane (CH 4), cracked hydrocarbons and unreacted feed hydrocarbon (C x H y) or the like Combustible gas and carbon dioxide (CO 2 ), water (H 2 O), and other non-flammable gases.

nm+nH2O → nCO +(n+m/2)H2 … (1)
nm+n/2O2 → nCO + m/2H2 … (2)
CO+H2O ⇔ CO2+H2 … (3)
CO+3H2 ⇔ CH4+H2O … (4)
この改質反応の中で主となる式(1)の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、かつ反応器26は、上記の通り中温又は高温で運転される燃料電池12に改質ガスを供給するため所定温度以上の温度で運転されるようになっている。加熱部28は、この反応器26における改質反応、運転温度を維持するための熱の供給する構成とされている。加熱部28は、酸化触媒を内蔵して反応器26に隣接して設けられており、供給された燃料を酸素と共に酸化触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせる構成とされている。
C n H m + nH 2 O → nCO + (n + m / 2) H 2 ... (1)
C n H m + n / 2O 2 → nCO + m / 2H 2 ... (2)
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (3)
CO + 3H 2 CH CH 4 + H 2 O (4)
The main steam reforming reaction of the formula (1) in the reforming reaction is an endothermic reaction, and the reactor 26 supplies the reformed gas to the fuel cell 12 operated at an intermediate temperature or a high temperature as described above. In order to do so, it is operated at a temperature higher than a predetermined temperature. The heating unit 28 is configured to supply heat for maintaining the reforming reaction and operating temperature in the reactor 26. The heating unit 28 includes an oxidation catalyst and is provided adjacent to the reactor 26. The heating unit 28 is configured to bring the supplied fuel into contact with the oxidation catalyst together with oxygen to cause catalytic combustion.

改質装置14は、加熱部28で燃料を触媒燃焼させて得た燃焼熱を隔壁部30を介して反応器26に供給するようになっている。このため、燃焼ガス等の熱媒(流体)を介して反応器26を加熱する構成のように熱量を温度に変換することなく、反応器26に熱量を直接的に付与することができる構成とされている。加熱部28の燃焼排ガスは排ガス出口28Bから排出されるようになっている。   The reformer 14 supplies combustion heat obtained by catalytic combustion of fuel in the heating unit 28 to the reactor 26 via the partition wall 30. For this reason, the structure which can provide heat quantity directly to the reactor 26, without converting calorie | heat amount into temperature like the structure which heats the reactor 26 via heating media (fluid), such as combustion gas, and Has been. The combustion exhaust gas from the heating unit 28 is discharged from the exhaust gas outlet 28B.

そして、燃料電池システム10は、反応器26に炭化水素原料を供給するための原料ポンプ32を備えており、原料ポンプ32の吐出部は原料供給ライン34を介して反応器26の原料入口26Aに接続されている。炭化水素原料は、例えば蒸発器やインジェクション等図示しない気化手段等によって、気相又は微粒化状態で反応器26に供給されるようになっている。   The fuel cell system 10 includes a raw material pump 32 for supplying a hydrocarbon raw material to the reactor 26, and a discharge portion of the raw material pump 32 is connected to a raw material inlet 26 </ b> A of the reactor 26 via a raw material supply line 34. It is connected. The hydrocarbon raw material is supplied to the reactor 26 in a gas phase or atomized state by a vaporizing means (not shown) such as an evaporator or an injection, for example.

また、反応器26の改質ガス出口26Bは、下流端がアノード流路22の燃料入口22Aに接続された改質ガス供給ライン36の上流端に接続されている。これにより、反応器26で生成された改質ガスが燃料電池12のアノード電極16に供給されるようになっている。改質ガス供給ライン36の中間部は、改質ガスを冷却するための熱交換器38の高温ガス側流路とされている(熱交換器38の高温ガス側流路が直列に配設されている)。   The reformed gas outlet 26B of the reactor 26 is connected to the upstream end of the reformed gas supply line 36 whose downstream end is connected to the fuel inlet 22A of the anode flow path 22. Thus, the reformed gas generated in the reactor 26 is supplied to the anode electrode 16 of the fuel cell 12. The intermediate portion of the reformed gas supply line 36 is a high-temperature gas side flow path of a heat exchanger 38 for cooling the reformed gas (the high-temperature gas side flow path of the heat exchanger 38 is arranged in series. ing).

また、燃料電池システム10は、カソード電極18にカソード用空気を供給するためのカソード用空気ポンプ40を備えており、カソード用空気ポンプ40の吐出部は、下流端がカソード流路24の空気入口24Aに接続されたカソード用空気供給ライン41の上流端が接続されている。   The fuel cell system 10 also includes a cathode air pump 40 for supplying cathode air to the cathode electrode 18, and the discharge portion of the cathode air pump 40 has an air inlet of the cathode channel 24 at the downstream end. The upstream end of the cathode air supply line 41 connected to 24A is connected.

さらに、カソード流路24のオフガス出口24Bには、水蒸気供給ライン42の上流端が接続されており、水蒸気供給ライン42の下流端は、原料供給ライン34に合流している。これにより、カソード電極18で生成された水蒸気を含むカソードオフガスが反応器26における水蒸気改質反応に利用される構成である。また、水蒸気供給ライン42は、その中間部が熱交換器38の低温ガス側流路とされており、カソードオフガスによって該熱交換器38の高温側ガス流路(改質ガス供給ライン36)を流通する改質ガスを冷却する構成とされている。   Further, the upstream end of the water vapor supply line 42 is connected to the off-gas outlet 24 </ b> B of the cathode channel 24, and the downstream end of the water vapor supply line 42 joins the raw material supply line 34. Thus, the cathode off gas containing the water vapor generated at the cathode electrode 18 is used for the water vapor reforming reaction in the reactor 26. Further, the water vapor supply line 42 has an intermediate portion serving as a low temperature gas side flow path of the heat exchanger 38, and the cathode off gas passes through the high temperature side gas flow path (reformed gas supply line 36) of the heat exchanger 38. The reformed gas that circulates is cooled.

一方、アノード流路22のオフガス出口22Bには、アノードオフガスライン44の上流端が接続されており、アノードオフガスライン44の下流端にはアノードオフガス分離器46のアノードオフガス入口46Aが接続されている。アノードオフガス分離器46は、アノードオフガスの成分を分離するための分離膜48を内蔵している。この実施形態では、分離膜48は、例えばポリイミド炭化物やセラミック等の多孔体より成る多孔体膜とされており、高い水素選択性、水蒸気選択性を有する。特に、分離膜48として膜厚制御性の高いポリイミド膜を炭化させたポリイミド炭化膜を採用すれば、高い水素選択性、水蒸気選択性を維持しつつ、水素及び水蒸気の高い透過性を得ることができる。   On the other hand, the upstream end of the anode offgas line 44 is connected to the offgas outlet 22B of the anode flow path 22, and the anode offgas inlet 46A of the anode offgas separator 46 is connected to the downstream end of the anode offgas line 44. . The anode off-gas separator 46 has a built-in separation membrane 48 for separating the components of the anode off-gas. In this embodiment, the separation membrane 48 is a porous membrane made of a porous body such as polyimide carbide or ceramic, and has high hydrogen selectivity and water vapor selectivity. In particular, if a polyimide carbonized film obtained by carbonizing a polyimide film with high film thickness controllability is used as the separation film 48, high hydrogen and water vapor permeability can be obtained while maintaining high hydrogen selectivity and water vapor selectivity. it can.

アノードオフガス分離器46における分離膜48によってアノードオフガス入口46Aとは隔てられた(分離側の)分離ガス出口46Bには、下流端が水蒸気供給ライン42における熱交換器38の下流側(原料供給ライン34への合流側)に合流する分離ガス供給ライン50の上流端が接続されている。この分離ガス供給ライン50の中間部には、ガスポンプとしての掃気ポンプ51が配設されている。掃気ポンプ51は、作動してアノードオフガス分離器46側のガスを水蒸気供給ライン42(原料供給ライン34)に圧送して合流させるようになっている。   The separation gas outlet 46B (on the separation side) separated from the anode offgas inlet 46A by the separation membrane 48 in the anode offgas separator 46 has a downstream end downstream of the heat exchanger 38 in the steam supply line 42 (raw material supply line). 34 is connected to the upstream end of the separation gas supply line 50 that joins to the side 34). A scavenging pump 51 as a gas pump is disposed in an intermediate portion of the separation gas supply line 50. The scavenging pump 51 operates to pump and join the gas on the anode off-gas separator 46 side to the steam supply line 42 (raw material supply line 34).

アノードオフガス分離器46は、掃気ポンプ51が作動することで生じる分離膜48に対する分離ガス出口46B側(低圧側)とアノードオフガス入口46A側(高圧側)との圧力差によって、アノードオフガス中のガス透過性の高い成分である水素、水蒸気を選択的に分離するようになっている。したがって、掃気ポンプ51は、アノードオフガス分離器46と共に本発明におけるガス分離器を構成し、かつ分離ガス供給ライン50と共に分離ガス供給手段を構成する。   The anode off-gas separator 46 is a gas in the anode off-gas due to a pressure difference between the separation gas outlet 46B side (low pressure side) and the anode off gas inlet 46A side (high pressure side) with respect to the separation membrane 48 generated by the operation of the scavenging pump 51. Hydrogen and water vapor, which are highly permeable components, are selectively separated. Accordingly, the scavenging pump 51 constitutes a gas separator in the present invention together with the anode off-gas separator 46 and constitutes a separation gas supply means together with the separation gas supply line 50.

また、アノードオフガス分離器46におけるアノードオフガス入口46Aに直接的に連通する(主流側の)残余ガス出口46Cには、燃料ガス供給手段(供給路)としての燃料ガス供給ライン52の上流端が接続されており、燃料ガス供給ライン52の下流端は加熱部28の燃料入口28Aに接続されている。   The upstream end of a fuel gas supply line 52 as a fuel gas supply means (supply path) is connected to the residual gas outlet 46C (on the mainstream side) directly communicating with the anode offgas inlet 46A in the anode offgas separator 46. The downstream end of the fuel gas supply line 52 is connected to the fuel inlet 28 </ b> A of the heating unit 28.

以上により、燃料電池システム10では、掃気ポンプ51の作動によって、アノードオフガス分離器46でアノードオフガスから分離された水素及び水蒸気を主成分とする分離ガスが、反応器26の原料入口26Aに供給されると共に、アノードオフガスから分離ガスが分離された後の残余ガスが燃料として加熱部28に供給されるようになっている。   As described above, in the fuel cell system 10, by the operation of the scavenging pump 51, the separation gas mainly composed of hydrogen and water vapor separated from the anode off gas by the anode off gas separator 46 is supplied to the raw material inlet 26A of the reactor 26. In addition, the residual gas after the separation gas is separated from the anode off gas is supplied to the heating unit 28 as fuel.

上記の改質反応で生成された改質ガスが燃料電池12に供給される燃料電池システム10では、残余ガスの主成分は、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、メタン(CH4)、二酸化炭素(CO2)とされる。したがって、加熱部28では、残余ガス中の可燃成分である一酸化炭素、炭化水素、メタンが燃料として消費されるようになっている。この加熱部28の排ガス出口28Bには、燃焼排ガスを系外に排出するための排気ガスライン53が接続されている。 In the fuel cell system 10 in which the reformed gas generated by the above reforming reaction is supplied to the fuel cell 12, the main components of the residual gas are carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), methane (CH 4 ), Carbon dioxide (CO 2 ). Therefore, in the heating unit 28, carbon monoxide, hydrocarbons, and methane, which are combustible components in the residual gas, are consumed as fuel. An exhaust gas line 53 for discharging combustion exhaust gas to the outside of the system is connected to the exhaust gas outlet 28B of the heating unit 28.

さらに、燃料電池システム10は、燃料電池12に冷却空気を供給するための冷却用空気ポンプ54を備えており、冷却用空気ポンプ54の吐出部は、下流端が燃料電池12の図示しない冷媒流路の入口12Aに接続された冷却用空気ライン56の上流端に接続されている。   Furthermore, the fuel cell system 10 includes a cooling air pump 54 for supplying cooling air to the fuel cell 12, and the discharge portion of the cooling air pump 54 has a downstream end of a refrigerant flow (not shown) of the fuel cell 12. It is connected to the upstream end of the cooling air line 56 connected to the inlet 12A of the passage.

この冷媒流路の出口12Bは、支燃ガス供給ライン58の上流端に接続されている。支燃ガス供給ライン58は、燃料ガス供給ライン52に合流しており、加熱部28に燃焼支燃ガスとしての酸素を含む冷却オフガスを供給するようになっている。なお、支燃ガス供給ライン58は、燃料ガス供給ライン52とは独立して加熱部28に冷却オフガスを供給するように該加熱部28に接続されても良い。支燃ガス供給ライン58の中間には、排気用分岐ライン58Aが接続されている。   The refrigerant flow path outlet 12 </ b> B is connected to the upstream end of the combustion support gas supply line 58. The combustion support gas supply line 58 is joined to the fuel gas supply line 52, and supplies a cooling off gas containing oxygen as a combustion support gas to the heating unit 28. The combustion support gas supply line 58 may be connected to the heating unit 28 so as to supply the cooling off gas to the heating unit 28 independently of the fuel gas supply line 52. An exhaust branch line 58 </ b> A is connected between the combustion support gas supply lines 58.

次に、第1の実施形態の作用を説明する。   Next, the operation of the first embodiment will be described.

上記構成の燃料電池システム10では、原料ポンプ32、カソード用空気ポンプ40の作動によって、原料供給ライン34から改質装置14の反応器26に炭化水素原料、水蒸気(カソードオフガス)が導入される。反応器26内では、水蒸気改質反応を含む式(1)〜式(4)で示す改質反応が行われ、水素を高濃度で含有する改質ガスが生成される。   In the fuel cell system 10 configured as described above, the hydrocarbon raw material and water vapor (cathode off-gas) are introduced from the raw material supply line 34 into the reactor 26 of the reformer 14 by the operation of the raw material pump 32 and the cathode air pump 40. In the reactor 26, the reforming reactions represented by the equations (1) to (4) including the steam reforming reaction are performed, and a reformed gas containing hydrogen at a high concentration is generated.

反応器26で生成された改質ガスは、熱交換器38でカソードオフガスとの熱交換によって冷却されて、燃料電池12の運転温度に近い温度でアノード流路22の燃料入口22Aからアノード電極16に供給される。燃料電池12では、アノード電極16に供給された改質ガス中の水素がプロトン化され、このプロトンが電解質20を経由してカソード電極18に移動して該カソード電極18に導入された空気中の酸素と反応する。このプロトンの移動に伴って電子がアノード電極16から外部導体を通じてカソード電極に向けて流れ、発電が行われる。   The reformed gas generated in the reactor 26 is cooled by heat exchange with the cathode off-gas in the heat exchanger 38, and from the fuel inlet 22 </ b> A of the anode channel 22 to the anode electrode 16 at a temperature close to the operating temperature of the fuel cell 12. To be supplied. In the fuel cell 12, hydrogen in the reformed gas supplied to the anode electrode 16 is protonated, and this proton moves to the cathode electrode 18 through the electrolyte 20 and is introduced into the cathode electrode 18. Reacts with oxygen. As the protons move, electrons flow from the anode electrode 16 toward the cathode electrode through the external conductor, and power generation is performed.

この発電によって燃料電池12では、アノード電極16に供給された改質ガス中の水素、カソード電極18に供給されたカソード用空気中の酸素が発電量(負荷の電力消費量)に応じて消費され、カソード電極18では水(水蒸気)が生成される。この水蒸気を含むガスは、カソードオフガスとしてカソード電極18から水蒸気供給ライン42に押し出され、熱交換器38にて改質ガスを加熱した後に原料供給ライン34を経由して反応器26に導入される。   With this power generation, the fuel cell 12 consumes hydrogen in the reformed gas supplied to the anode electrode 16 and oxygen in the cathode air supplied to the cathode electrode 18 according to the power generation amount (load power consumption). The cathode electrode 18 generates water (water vapor). This gas containing water vapor is pushed out from the cathode electrode 18 to the water vapor supply line 42 as the cathode off gas, and after the reformed gas is heated by the heat exchanger 38, it is introduced into the reactor 26 via the raw material supply line 34. .

一方、発電に伴って改質ガス中の水素が発電量に応じて消費された後のガスは、アノードオフとしてアノード流路22のオフガス出口22Bから排出されてアノードオフガス分離器46に導入される。このアノードオフガス分離器46では、掃気ポンプ51が作動していることで主流側に対し分離側が低圧とされており、この圧力差によって、アノードオフガス中に含まれる主に未利用の水素、改質ガスに含まれていた水蒸気が分離膜48を透過して分離される。   On the other hand, the gas after the hydrogen in the reformed gas is consumed in accordance with the amount of power generated as a result of power generation is discharged from the offgas outlet 22B of the anode channel 22 as an anode off and introduced into the anode offgas separator 46. . In this anode off-gas separator 46, the scavenging pump 51 is operated, so that the separation side is at a low pressure relative to the main stream side. Due to this pressure difference, mainly unused hydrogen contained in the anode off-gas, reforming Water vapor contained in the gas passes through the separation membrane 48 and is separated.

そして、水素及び水蒸気を主成分とする分離ガスは、掃気ポンプ51に吸引されてアノードオフガス分離器46の分離ガス出口46Bから排出され、該掃気ポンプ51に圧送されて水蒸気供給ライン42に合流し、カソードオフガスと共に原料供給ライン34に合流して原料入口26Aから反応器26に供給される。したがって、反応器26には、炭化水素原料と、カソードオフガス中の水蒸気と、分離ガス中の水蒸気及び水素とが導入され、水蒸気濃度が高い環境で改質反応(特に式(1)の水蒸気改質反応)が促進され、かつ燃料電池12で未利用の水素が混合されることで、水素濃度が高い改質ガス(燃料電池12のアノード電極16に供給されるガス)が得られる。   The separation gas mainly composed of hydrogen and water vapor is sucked into the scavenging pump 51 and discharged from the separation gas outlet 46B of the anode off-gas separator 46, and is pumped to the scavenging pump 51 to join the water vapor supply line 42. Then, together with the cathode off-gas, it joins the raw material supply line 34 and is supplied to the reactor 26 from the raw material inlet 26A. Therefore, the hydrocarbon raw material, the water vapor in the cathode off-gas, and the water vapor and hydrogen in the separation gas are introduced into the reactor 26, and the reforming reaction (especially the water vapor reforming of the formula (1)) is performed in an environment with a high water vapor concentration. A reformed gas (a gas supplied to the anode electrode 16 of the fuel cell 12) having a high hydrogen concentration can be obtained by mixing hydrogen that is not used in the fuel cell 12 and the hydrogen is mixed in the fuel cell 12.

他方、アノードオフガスから水素及び水蒸気(の少なくとも一部)が分離された後の残余ガスは、燃料ガス供給ライン52を経由して、燃料電池12を冷却した後の冷却オフガスと共に改質装置14の加熱部28に供給される。加熱部28では、残余ガス中の可燃成分を燃料とし、冷却オフガス中の酸素を支燃ガスとして、触媒燃焼が生じる。この触媒燃焼によって生じた熱は、隔壁部30を介して反応器26に供給される。この熱によって反応器26では、吸熱反応である改質反応を維持すると共に運転温度(改質ガス温)を燃料電池12の運転温度に近い温度に保つ。   On the other hand, the residual gas after separation of hydrogen and water vapor (at least a part thereof) from the anode off-gas is supplied to the reformer 14 together with the cooling off-gas after cooling the fuel cell 12 via the fuel gas supply line 52. It is supplied to the heating unit 28. In the heating unit 28, catalytic combustion occurs using the combustible component in the residual gas as fuel and oxygen in the cooling off gas as combustion support gas. The heat generated by this catalytic combustion is supplied to the reactor 26 through the partition wall 30. With this heat, the reactor 26 maintains the reforming reaction, which is an endothermic reaction, and maintains the operating temperature (reformed gas temperature) at a temperature close to the operating temperature of the fuel cell 12.

以上説明したように、燃料電池システム10では、燃料電池12で消費(利用)されなかった改質ガス中の水素及び改質ガスに含まれる水蒸気をアノードオフガス分離器46でアノードオフガスから分離して反応器26に供給し、改質反応のうち主な反応である水蒸気改質反応を行う反応器26内の水蒸気濃度が高まるため、水蒸気改質反応が促進されて水素濃度の高い改質ガスが得られる。すなわち、改質装置14の反応器26における改質効率が向上する。しかも、この改質ガスに分離ガス中の水素が付加されて燃料電池12に供給されるため、燃料電池12には水素濃度が一層高いガスが供給され、この水素のうち発電に利用されなかった分は反応器26に循環されるので、水素利用率が向上する。   As described above, in the fuel cell system 10, hydrogen in the reformed gas that has not been consumed (utilized) in the fuel cell 12 and water vapor contained in the reformed gas are separated from the anode offgas by the anode offgas separator 46. Since the steam concentration in the reactor 26 that supplies the reactor 26 and performs the steam reforming reaction, which is the main reaction among the reforming reactions, is increased, the steam reforming reaction is promoted and a reformed gas with a high hydrogen concentration is produced. can get. That is, the reforming efficiency in the reactor 26 of the reformer 14 is improved. Moreover, since hydrogen in the separation gas is added to the reformed gas and supplied to the fuel cell 12, a gas having a higher hydrogen concentration is supplied to the fuel cell 12, and this hydrogen was not used for power generation. Since the fraction is circulated to the reactor 26, the hydrogen utilization rate is improved.

また、燃料電池システム10では、発電に伴いカソード電極18で生成された水を含むカソードオフガスが反応器26に供給されるため、系外から水蒸気を供給することなく水蒸気改質反応を維持することができる。そして、このような系内の生成水で改質反応を維持する構成において、上記の通りアノードオフガス(改質ガス)中に含まれる水蒸気を水蒸気改質反応に補助的に供することで、反応器26内の水蒸気濃度を高めて改質効率を向上することが実現された。   Further, in the fuel cell system 10, since the cathode off gas containing water generated at the cathode electrode 18 with power generation is supplied to the reactor 26, the steam reforming reaction is maintained without supplying steam from outside the system. Can do. In such a configuration in which the reforming reaction is maintained with the generated water in the system, the steam contained in the anode off-gas (reformed gas) is supplementarily provided for the steam reforming reaction as described above, thereby providing a reactor. It has been realized that the reforming efficiency is improved by increasing the water vapor concentration in 26.

さらに、燃料電池システム10では、アノードオフガス分離器46によってアノードオフガスから主に水素及び水蒸気が分離された後の残余ガスが、改質装置14の加熱部28において燃料として利用される構成であるため、残余ガス中の可燃ガス及び残余ガスが有する熱量の有効利用が図られ、燃料電池システム10の全体の効率が向上する。   Further, in the fuel cell system 10, the residual gas after mainly hydrogen and water vapor are separated from the anode off-gas by the anode off-gas separator 46 is used as fuel in the heating unit 28 of the reformer 14. Further, the combustible gas in the residual gas and the heat quantity of the residual gas are effectively used, and the overall efficiency of the fuel cell system 10 is improved.

すなわち、本燃料電池システム10では、アノードオフガス分離器46を設けることによって、アノードオフガス中の改質又は水素濃度向上に寄与する成分(水蒸気及び水素)と、加熱部28での燃焼熱の生成に寄与する成分(一酸化炭素、炭化水素、メタン等)とを分離し、それぞれの成分を効率良く利用することが実現された。すなわち、システム全体のガス有効利用(マテリアルバランスの良好化)が図られる。特に、燃料電池システム10では、分離膜48として多孔体分離膜を用いているため、アノードオフガス分離器46の水素及び水蒸気選択性が高く、水素利用率の向上に寄与する。   That is, in the present fuel cell system 10, by providing the anode off-gas separator 46, components (steam and hydrogen) that contribute to reforming or improving the hydrogen concentration in the anode off-gas and combustion heat generation in the heating unit 28 are generated. It was realized that components that contributed (carbon monoxide, hydrocarbons, methane, etc.) were separated and each component was used efficiently. That is, effective gas utilization (improvement of material balance) of the entire system is achieved. In particular, in the fuel cell system 10, since the porous body separation membrane is used as the separation membrane 48, the anode off-gas separator 46 has high hydrogen and water vapor selectivity, which contributes to improvement of the hydrogen utilization rate.

このように、第1の実施形態に係る燃料電池システム10では、反応器26から燃料電池12に供給される改質ガスの水素濃度が高くなり、燃料電池12の水素利用率が向上する。また、比較的高温のアノードオフガスからの分離ガスを反応器26に供給することで、該分離ガスが有する熱量の有効利用も図られる。   Thus, in the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the hydrogen concentration of the reformed gas supplied from the reactor 26 to the fuel cell 12 is increased, and the hydrogen utilization rate of the fuel cell 12 is improved. Further, by supplying a separation gas from the relatively high temperature anode off-gas to the reactor 26, it is possible to effectively use the amount of heat of the separation gas.

また、燃料電池システム10では、分離ガスを駆動するために掃気ポンプ51を用いるため、簡単な構造で低圧の分離ガスを相対的に高圧の水蒸気供給ライン42に確実に合流させることができる。   Further, since the scavenging pump 51 is used in the fuel cell system 10 to drive the separation gas, the low-pressure separation gas can be reliably joined to the relatively high-pressure steam supply line 42 with a simple structure.

さらに、燃料電池システム10では、上記の通り分離ガス中の水蒸気が反応器26に供給されて反応器26内の水蒸気濃度が高まるため、換言すれば、反応器26内におけるS/C比(炭化水素ガス中の炭素量に対する水蒸気量)が高くなるため、改質触媒上へのカーボン析出が抑制される。   Furthermore, in the fuel cell system 10, since the water vapor in the separation gas is supplied to the reactor 26 as described above, the water vapor concentration in the reactor 26 is increased. In other words, the S / C ratio (carbonization) in the reactor 26 is increased. Since the amount of water vapor relative to the amount of carbon in the hydrogen gas is increased, carbon deposition on the reforming catalyst is suppressed.

ここで、図3には、横軸をS/C比、縦軸をO/C比(炭化水素ガス中の炭素量に対する式(2)の部分酸化反応を行うための酸素量)とした代表温度毎の炭素析出限界線が示されている。この図から、S/C比が高いほど、炭素析出限界線に対し炭素(カーボン)の非析出側に移行しやすいことがわかる。例えば、改質温度が400℃の場合、分離ガスの供給によって反応点が図3のA点から炭素析出限界線を跨いでB点に移行すれば、カーボンの析出が防止される。   Here, in FIG. 3, the horizontal axis represents the S / C ratio, and the vertical axis represents the O / C ratio (the amount of oxygen for performing the partial oxidation reaction of the formula (2) with respect to the amount of carbon in the hydrocarbon gas). The carbon deposition limit line for each temperature is shown. From this figure, it can be seen that the higher the S / C ratio, the easier it is to move to the non-deposited side of carbon with respect to the carbon deposition limit line. For example, when the reforming temperature is 400 ° C., if the reaction point shifts from the point A in FIG. 3 to the point B across the carbon deposition limit line by supplying the separation gas, carbon deposition is prevented.

なお、第1の実施形態では、カソードオフガスを反応器26に供給して水蒸気改質反応を維持する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、水タンクからの水を蒸発器で蒸発して得た水蒸気を反応器26に供給する構成とすることも可能である。この構成においても、分離ガスを反応器26に供給することで水蒸気濃度を高めることができるので、水タンクの小容量化、蒸発器の低容量化を図ることができる。さらに、この構成では、蒸発器で発生した水蒸気をガス分離器の分離ガス側に供給することにより、より効果的に水素ガスの分離を行うことができる。   In the first embodiment, the cathode off gas is supplied to the reactor 26 to maintain the steam reforming reaction. However, the present invention is not limited to this, and for example, water from a water tank is evaporated. It is also possible to supply the reactor 26 with water vapor obtained by evaporation in a reactor. Also in this configuration, since the water vapor concentration can be increased by supplying the separation gas to the reactor 26, the capacity of the water tank can be reduced and the capacity of the evaporator can be reduced. Furthermore, in this configuration, hydrogen gas can be more effectively separated by supplying water vapor generated in the evaporator to the separation gas side of the gas separator.

次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第1の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部品・部分については、第1の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略する。   Next, another embodiment of the present invention will be described. Note that parts and portions that are basically the same as those in the first embodiment or the previous configuration are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment or the previous configuration, and description thereof is omitted.

(第2の実施形態)
図4には、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム60のシステム構成図(プロセスフローシート)が示されている。この図に示され如く、燃料電池システム60は、掃気ポンプ51に代えてエジェクタ(ジェットポンプ)62を備える点で、第1の実施形態に係る燃料電池システム10とは異なる。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows a system configuration diagram (process flow sheet) of a fuel cell system 60 according to the second embodiment of the present invention. As shown in this figure, the fuel cell system 60 is different from the fuel cell system 10 according to the first embodiment in that an ejector (jet pump) 62 is provided instead of the scavenging pump 51.

エジェクタ62は、反応ガス供給ラインとしての水蒸気供給ライン42と分離ガス供給ライン50との合流部に配設されており、水蒸気供給ライン42におけるカソードオフガスの流れ伴って生じる負圧によって、低圧の分離ガスを分離ガス供給ライン50から水蒸気供給ライン42に導入するようになっている。また、このエジェクタ62の分離ガス吸引作用によって、アノードオフガス分離器46における分離膜48に対する分離ガス出口46B側(分離側)がアノードオフガス入口46A側(主流側)に対し相対的に低圧とされ、アノードオフガスから分離ガスが分離されるようになっている。   The ejector 62 is disposed at the junction of the water vapor supply line 42 as the reaction gas supply line and the separation gas supply line 50, and the low pressure separation is caused by the negative pressure generated along with the flow of the cathode off gas in the water vapor supply line 42. The gas is introduced from the separation gas supply line 50 into the water vapor supply line 42. Further, due to the separation gas suction action of the ejector 62, the separation gas outlet 46B side (separation side) with respect to the separation membrane 48 in the anode off gas separator 46 is set to a relatively low pressure relative to the anode off gas inlet 46A side (main flow side), A separation gas is separated from the anode off gas.

すなわち、エジェクタ62は、掃気ポンプ51と同様に、アノードオフガス分離器46と共に本発明におけるガス分離器を構成し、かつ分離ガス供給ライン50と共に分離ガス供給手段を構成する。   That is, like the scavenging pump 51, the ejector 62 constitutes a gas separator in the present invention together with the anode off-gas separator 46, and constitutes a separation gas supply means together with the separation gas supply line 50.

燃料電池システム60の他の構成は、燃料電池システム10の対応する構成と同じである。したがって、第2の実施形態に係る燃料電池システム60によっても、第1の実施形態と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。   Other configurations of the fuel cell system 60 are the same as the corresponding configurations of the fuel cell system 10. Therefore, the fuel cell system 60 according to the second embodiment can obtain the same effect by the same operation as that of the first embodiment.

また、燃料電池システム60では、分離ガスを駆動するためにエジェクタ62を用いるため、動力が不要な簡単な構造で低圧の分離ガスを相対的に高圧の改質ガス供給ライン36に確実に合流させることができる。   In the fuel cell system 60, since the ejector 62 is used to drive the separation gas, the low-pressure separation gas is reliably joined to the relatively high-pressure reformed gas supply line 36 with a simple structure that does not require power. be able to.

なお、分離ガス供給ライン50を水蒸気供給ライン42とは独立して原料供給ライン34に合流させる構成において、反応ガス供給ラインとしての原料供給ライン34における分離ガス供給ライン50の合流部にエジェクタ62を配設しても良い。   In the configuration in which the separation gas supply line 50 is joined to the raw material supply line 34 independently of the water vapor supply line 42, an ejector 62 is provided at the junction of the separation gas supply line 50 in the raw material supply line 34 as a reaction gas supply line. It may be arranged.

(第3の実施形態)
図5には、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システム70のシステム構成図(プロセスフローシート)が示されている。この図に示され如く、燃料電池システム70は、掃気ポンプ51を制御する制御装置としてのガス分離量コントローラ72を備える点で、第1の実施形態とは異なる。
(Third embodiment)
FIG. 5 shows a system configuration diagram (process flow sheet) of a fuel cell system 70 according to the third embodiment of the present invention. As shown in this figure, the fuel cell system 70 is different from the first embodiment in that it includes a gas separation amount controller 72 as a control device for controlling the scavenging pump 51.

ガス分離量コントローラ72は、掃気ポンプ51に電気的に接続されると共に、反応器26の温度に応じた信号を出力する検出器としての温度センサ74に電気的に接続されている。このガス分離量コントローラ72は、温度センサ74の出力信号に基づいて反応器26の温度が所定の第1閾値以下であると判断した場合に、掃気ポンプ51の回転数(吐出量)を低減し、温度センサ74の出力信号に基づいて反応器26の温度が第1閾値よりも高い第2閾値以上であると判断した場合に、掃気ポンプ51の回転数(吐出量)を増大するように構成されている。燃料電池システム70の他の構成は、燃料電池システム10の対応する構成と同じである。   The gas separation amount controller 72 is electrically connected to the scavenging pump 51 and is also electrically connected to a temperature sensor 74 as a detector that outputs a signal corresponding to the temperature of the reactor 26. When the gas separation amount controller 72 determines that the temperature of the reactor 26 is equal to or lower than a predetermined first threshold based on the output signal of the temperature sensor 74, the gas separation amount controller 72 reduces the rotation speed (discharge amount) of the scavenging pump 51. When the temperature of the reactor 26 is determined to be equal to or higher than the second threshold value higher than the first threshold value based on the output signal of the temperature sensor 74, the rotational speed (discharge amount) of the scavenging pump 51 is increased. Has been. Other configurations of the fuel cell system 70 are the same as the corresponding configurations of the fuel cell system 10.

以上説明した燃料電池システム70では、反応器26の温度が第1閾値以下である場合には、ガス分離量コントローラ72が掃気ポンプ51の回転数を低下することでアノードオフガス中の水素及び水蒸気の分離膜48による分離量(反応器26への供給量)が低減され、該低減分の水素を含む残余ガスが改質装置14の加熱部28に供給される。したがって、残余ガスの発熱量が増し、反応器26の温度が上昇する。これにより、反応に20における改質反応が促進される。そして、反応器26の温度が第2閾値以上になると、ガス分離量コントローラ72が掃気ポンプ51の回転数を増大することで、水素及び水蒸気の反応器26への供給量が増す(復帰する)。   In the fuel cell system 70 described above, when the temperature of the reactor 26 is equal to or lower than the first threshold value, the gas separation amount controller 72 reduces the rotation speed of the scavenging pump 51, so that the hydrogen and water vapor in the anode off-gas are reduced. The amount of separation by the separation membrane 48 (the amount of supply to the reactor 26) is reduced, and the residual gas containing the reduced amount of hydrogen is supplied to the heating unit 28 of the reformer 14. Therefore, the calorific value of the residual gas increases and the temperature of the reactor 26 rises. This promotes the reforming reaction at 20 in the reaction. When the temperature of the reactor 26 becomes equal to or higher than the second threshold value, the gas separation amount controller 72 increases the number of rotations of the scavenging pump 51, thereby increasing (returning) the supply amount of hydrogen and steam to the reactor 26. .

このように、第3の実施形態に係る燃料電池システム70では、第1の実施形態と同様の作用によって同様の効果を得ることができる他、アノードオフガス中の水素及び水蒸気の反応器26への供給量を制御するため、燃料電池システム70全体の運転状態に応じて適切なアノードオフガスの有効利用を図ることができる。すなわち、燃料電池システム70全体としての効率が向上する。この燃料電池システム70は、運転状態(電池負荷)や運転環境(外気温等)が変化しやすい用途に適用されて、効率的な運転を行うことが可能である。また、掃気ポンプ51の回転数でアノードオフガス中の水素及び水蒸気の反応器26への供給量を制御するため、制御が容易である。   As described above, in the fuel cell system 70 according to the third embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the hydrogen and water vapor in the anode off-gas to the reactor 26 can be obtained. Since the supply amount is controlled, it is possible to effectively use an appropriate anode off gas according to the operation state of the entire fuel cell system 70. That is, the efficiency of the fuel cell system 70 as a whole is improved. The fuel cell system 70 is applied to an application in which the operating state (battery load) and the operating environment (outside temperature, etc.) are likely to change, and can perform efficient operation. Further, since the supply amount of hydrogen and water vapor in the anode off-gas to the reactor 26 is controlled by the rotation speed of the scavenging pump 51, the control is easy.

なお、第3の実施形態では、掃気ポンプ51の回転数が2段階に切り替えられる制御の例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、掃気ポンプ51の回転数を多段階や連続(無段)に変化させる制御を行うようにしても良い。   In the third embodiment, an example of control in which the number of rotations of the scavenging pump 51 is switched to two stages has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, the number of rotations of the scavenging pump 51 can be increased in multiple stages. You may make it perform the control changed continuously (continuously).

(第4の実施形態)
図6には、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池システム80のシステム構成図(プロセスフローシート)が示されている。この図に示され如く、燃料電池システム80は、ガス分離量コントローラ82によって弁開度が制御される調節弁84が分離ガス供給ライン50に設けられている点で、第2の実施形態とは異なる。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 shows a system configuration diagram (process flow sheet) of a fuel cell system 80 according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in this figure, the fuel cell system 80 is different from the second embodiment in that a control valve 84 whose valve opening degree is controlled by a gas separation amount controller 82 is provided in the separation gas supply line 50. Different.

ガス分離量コントローラ82は、調節弁84に電気的に接続されると共に、反応器26から排出された改質ガス中の水素濃度に応じた信号を出力する検出器としてのガスセンサ86に電気的に接続されている。ガスセンサ86は、改質ガス供給ライン36における熱交換器38の上流側に配設されている。   The gas separation amount controller 82 is electrically connected to the control valve 84 and is electrically connected to a gas sensor 86 as a detector that outputs a signal corresponding to the hydrogen concentration in the reformed gas discharged from the reactor 26. It is connected. The gas sensor 86 is disposed upstream of the heat exchanger 38 in the reformed gas supply line 36.

このガス分離量コントローラ82は、ガスセンサ86の出力信号に基づいて改質ガスの水素濃度が所定の第1閾値以下であると判断した場合に、調節弁84の弁開度を小さくし、ガスセンサ86の出力信号に基づいて改質ガスの水素濃度が第1閾値よりも高い第2閾値以上であると判断した場合に、調節弁84の弁開度を大きくするように構成されている。燃料電池システム80の他の構成は、燃料電池システム60の対応する構成と同じである。なお、調節弁84は、本発明における分離ガス供給手段を構成すると共に、ガス分離量コントローラ82と共に本発明における制御装置をも構成する。   When the gas separation amount controller 82 determines that the hydrogen concentration of the reformed gas is equal to or less than a predetermined first threshold based on the output signal of the gas sensor 86, the gas separation amount controller 82 decreases the valve opening of the control valve 84, and the gas sensor 86. When the hydrogen concentration of the reformed gas is determined to be equal to or higher than the second threshold value higher than the first threshold value based on the output signal, the valve opening degree of the control valve 84 is increased. Other configurations of the fuel cell system 80 are the same as the corresponding configurations of the fuel cell system 60. The control valve 84 constitutes the separation gas supply means in the present invention, and also constitutes the control device in the present invention together with the gas separation amount controller 82.

以上説明した燃料電池システム80では、改質ガスの水素濃度が第1閾値以下である場合には、ガス分離量コントローラ82が調節弁84の弁開度を小さくすることでアノードオフガス中の水素及び水蒸気の分離膜48による分離量(反応器26への供給量)が低減され、該低減分の水素を含む残余ガスが改質装置14の加熱部28に供給される。したがって、残余ガスの発熱量すなわち加熱部28から反応器26への供給熱量が増して改質反応が促進され、改質ガスの水素濃度が上昇する。そして、改質ガスの水素濃度が第2閾値以上になると、ガス分離量コントローラ72が調節弁84の弁開度を大きくすることで、水素及び水蒸気の反応器26への供給量が増す(復帰する)。   In the fuel cell system 80 described above, when the hydrogen concentration of the reformed gas is less than or equal to the first threshold value, the gas separation amount controller 82 reduces the valve opening of the control valve 84 so that the hydrogen in the anode off gas and The amount of water vapor separated by the separation membrane 48 (the amount supplied to the reactor 26) is reduced, and the residual gas containing the reduced amount of hydrogen is supplied to the heating unit 28 of the reformer 14. Therefore, the calorific value of the residual gas, that is, the amount of heat supplied from the heating unit 28 to the reactor 26 is increased, the reforming reaction is promoted, and the hydrogen concentration of the reformed gas is increased. When the hydrogen concentration of the reformed gas becomes equal to or higher than the second threshold value, the gas separation amount controller 72 increases the valve opening of the control valve 84, thereby increasing the supply amount of hydrogen and steam to the reactor 26 (recovery). To do).

このように、第4の実施形態に係る燃料電池システム80では、第1、第2の実施形態と同様の作用によって同様の効果を得ることができる他、アノードオフガス中の水素及び水蒸気の反応器26への供給量を制御するため、燃料電池システム80全体の運転状態に応じて適切なアノードオフガスの有効利用を図ることができる。すなわち、燃料電池システム80全体としての効率が向上する。この燃料電池システム80は、運転状態(電池負荷)や運転環境(外気温等)が変化しやすい用途に適用されて、効率的な運転を行うことが可能である。また、動力を用いないエジェクタ62を有する構成において、アノードオフガス中の水素及び水蒸気の反応器26への供給量を制御する構成が実現された。   Thus, in the fuel cell system 80 according to the fourth embodiment, a similar effect can be obtained by the same operation as in the first and second embodiments, and a reactor for hydrogen and water vapor in the anode off-gas Since the amount supplied to the fuel cell system 26 is controlled, an appropriate anode off-gas can be effectively used according to the operation state of the fuel cell system 80 as a whole. That is, the efficiency of the fuel cell system 80 as a whole is improved. This fuel cell system 80 is applied to an application in which the operating state (battery load) and the operating environment (outside temperature, etc.) are likely to change, and can perform efficient operation. Further, in the configuration having the ejector 62 that does not use power, a configuration for controlling the supply amount of hydrogen and water vapor in the anode off-gas to the reactor 26 was realized.

なお、第4の実施形態では、調節弁84の弁開度が2段階に切り替えられる制御の例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、調節弁84の弁開度を多段階や連続(無段)に変化させる制御を行うようにしても良い。   In the fourth embodiment, an example of control in which the valve opening of the control valve 84 is switched in two stages has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, the valve opening of the control valve 84 is increased. You may make it perform the control changed to a step or a continuous (stepless).

また、第4の実施形態では、ガス分離量コントローラ82の制御パラメータとしてガスセンサ86の出力信号に代えて温度センサ74の出力信号を用いるようにしても良い。同様に、第3の実施形態において、ガス分離量コントローラ72の制御パラメータとして温度センサ74の出力信号に代えてガスセンサ86の出力信号を用いるようにしても良い。   In the fourth embodiment, an output signal of the temperature sensor 74 may be used as a control parameter of the gas separation amount controller 82 instead of the output signal of the gas sensor 86. Similarly, in the third embodiment, the output signal of the gas sensor 86 may be used as the control parameter of the gas separation amount controller 72 instead of the output signal of the temperature sensor 74.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram showing a schematic overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池の模式図である。It is a mimetic diagram of a fuel cell which constitutes a fuel cell system concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムを構成する反応器における改質反応のカーボン析出限界線を示す線図である。It is a diagram which shows the carbon deposition limit line of the reforming reaction in the reactor which comprises the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステム構成図である。It is a system block diagram which shows the schematic whole structure of the fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステム構成図である。It is a system block diagram which shows the schematic whole structure of the fuel cell system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステム構成図である。It is a system block diagram which shows the schematic whole structure of the fuel cell system which concerns on the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池システム
12 燃料電池
16 アノード電極
18 カソード電極
20 電解質
26 反応器
28 加熱部
42 水蒸気供給ライン(反応ガス供給ライン)
46 アノードオフガス分離器(ガス分離器)
48 分離膜(多孔体分離膜)
50 分離ガス供給ライン(分離ガス供給手段)
51 掃気ポンプ(ガスポンプ、分離ガス供給手段、ガス分離器)
52 燃料ガス供給ライン(燃料供給手段)
60・70・80 燃料電池システム
62 エジェクタ(分離ガス供給手段、ガス分離器)
72・82 ガス分離量コントローラ(制御装置)
74 温度センサ(検出器)
84 調節弁(分離ガス供給手段、制御装置)
86 ガスセンサ(検出器)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 12 Fuel cell 16 Anode electrode 18 Cathode electrode 20 Electrolyte 26 Reactor 28 Heating part 42 Steam supply line (reactive gas supply line)
46 Anode off-gas separator (gas separator)
48 Separation membrane (porous separation membrane)
50 Separation gas supply line (separation gas supply means)
51 Scavenging pump (gas pump, separation gas supply means, gas separator)
52 Fuel gas supply line (fuel supply means)
60, 70, 80 Fuel cell system 62 Ejector (Separation gas supply means, gas separator)
72 ・ 82 Gas separation amount controller (control device)
74 Temperature sensor (detector)
84 Control valve (separation gas supply means, control device)
86 Gas sensor (detector)

Claims (8)

水蒸気改質反応を含む改質反応によって供給された炭化水素原料から水素を含有する改質ガスを生成するための反応器と、
前記反応器で生成された改質ガスがアノード電極に供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のアノード電極から排出されたアノードオフガスから、水素及び水蒸気を選択的に分離して分離ガスを得るためのガス分離器と、
前記ガス分離器が分離した前記分離ガスを前記反応器に供給するための分離ガス供給手段と、
を備えた燃料電池システム。
A reactor for generating a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon feed supplied by a reforming reaction including a steam reforming reaction;
A fuel cell in which the reformed gas generated in the reactor is supplied to the anode electrode to generate power; and
A gas separator for selectively separating hydrogen and water vapor from the anode off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell to obtain a separation gas;
Separation gas supply means for supplying the separation gas separated by the gas separator to the reactor;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池は、プロトン導伝性の電解質を有し、発電に伴ってカソード電極側で水が生成される構成とされている請求項1記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell includes a proton-conducting electrolyte, and water is generated on the cathode electrode side with power generation. 前記カソード電極から排出されたカソードオフガスを前記反応器に供給するためのカソードオフガス供給手段をさらに備えた請求項2記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, further comprising cathode offgas supply means for supplying cathode offgas discharged from the cathode electrode to the reactor. 燃料を燃焼することで生じた熱を前記反応器に供給するための加熱部と、
前記ガス分離器によって前記アノードオフガスから前記分離ガスが分離された残余ガスを、前記加熱部に燃料として供給するための燃料供給手段と、
をさらに備えた請求項1乃至請求項3の何れか1項記載の燃料電池システム。
A heating unit for supplying heat generated by burning fuel to the reactor;
Fuel supply means for supplying the residual gas obtained by separating the separated gas from the anode off-gas by the gas separator as fuel to the heating unit;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
前記反応器の状態に応じた信号を出力する検出器と、
前記検出器の検出結果に基づいて、前記分離ガス供給手段による前記燃料電池の燃料入口への前記分離ガスの供給量を制御する制御装置と、
をさらに備えた請求項1乃至請求項4の何れか1項記載の燃料電池システム。
A detector that outputs a signal according to the state of the reactor;
A control device for controlling the supply amount of the separation gas to the fuel inlet of the fuel cell by the separation gas supply means based on the detection result of the detector;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
前記分離ガス供給手段は、前記ガス分離器における前記分離ガスの出口部と前記反応器の分離ガス入口とを結ぶ分離ガス供給ラインに設けられたガスポンプによって、前記分離ガスを前記反応器の分離ガス入口に供給する請求項1乃至請求項5の何れか1項記載の燃料電池システム。   The separation gas supply means supplies the separation gas to the separation gas of the reactor by a gas pump provided in a separation gas supply line that connects the separation gas outlet of the gas separator and the separation gas inlet of the reactor. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell system is supplied to an inlet. 前記分離ガス供給手段は、前記反応器に前記原料又はカソードオフガスを供給する改質反応ガス供給ラインに設けたエジェクタによって、前記分離ガスを前記反応器に供給する請求項1乃至請求項5の何れか1項記載の燃料電池システム。   The separation gas supply means supplies the separation gas to the reactor by an ejector provided in a reforming reaction gas supply line for supplying the raw material or cathode off-gas to the reactor. The fuel cell system according to claim 1. 前記ガス分離器は、多孔体分離膜を含んで構成されている請求項1乃至請求項7の何れか1項記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the gas separator includes a porous body separation membrane.
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