JP2007161553A - Hydrogen generating apparatus and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、触媒を用いた燃料改質反応と触媒を加熱再生する再生反応とを切替えて行なう水素生成装置およびこれを備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen generator that performs a fuel reforming reaction using a catalyst and a regeneration reaction for heating and regenerating the catalyst, and a fuel cell system including the same.
従来の電気自動車は、車両駆動用の電源として燃料電池を搭載すると共に、燃料電池を発電運転させるための燃料である水素又は水素生成用の原燃料を搭載している。 A conventional electric vehicle is equipped with a fuel cell as a power source for driving the vehicle, and with hydrogen or a raw fuel for generating hydrogen, which is a fuel for causing the fuel cell to perform a power generation operation.
水素自体を搭載する場合、水素ガスを圧縮して高圧ボンベに若しくは液化してタンクに充填し、又は水素吸蔵合金や水素吸着材料を用いて搭載する。しかし、高圧充填による場合は、容器壁厚が厚く大きいわりに内容積をかせげないため水素充填量が少なく、また、液体水素とする液化充填による場合は、気化ロスが避けられないほか液化に多大なエネルギーを要する。また、水素吸蔵合金や水素吸着材料では電気自動車等に必要とされる水素貯蔵密度が不充分で、水素の吸蔵/吸着等の制御も困難である。また、原燃料を搭載する場合、燃料を水蒸気改質して水素を得る方法などがあるが、改質反応は吸熱的であるために別途熱源が必要であり、熱源に電気ヒータ等を用いたシステムでは全体のエネルギー効率の向上は図れず、また、あらゆる環境条件下で安定的に水素量を確保できる点も不可避である。 When the hydrogen itself is mounted, the hydrogen gas is compressed and packed in a high-pressure cylinder or liquefied and filled into a tank, or mounted using a hydrogen storage alloy or a hydrogen adsorbing material. However, in the case of high-pressure filling, the volume of hydrogen is small because the container wall thickness is thick and large, but in the case of liquefied filling with liquid hydrogen, vaporization loss is unavoidable and it is very difficult to liquefy. Requires energy. Further, hydrogen storage alloys and hydrogen adsorbing materials have insufficient hydrogen storage density required for electric vehicles and the like, and it is difficult to control hydrogen storage / adsorption. In addition, when the raw fuel is installed, there is a method of obtaining hydrogen by steam reforming the fuel, but since the reforming reaction is endothermic, a separate heat source is required, and an electric heater or the like was used as the heat source. The system cannot improve the overall energy efficiency, and it is inevitable that the amount of hydrogen can be secured stably under all environmental conditions.
水素の供給方法については、未だ技術的に確立されていないのが実状であるが、将来的に各種装置における水素利用の増加が予測されることを踏まえると、水素の供給方法の確立が期待されている。 The actual hydrogen supply method has not yet been technically established, but it is expected that a hydrogen supply method will be established in light of the anticipated increase in hydrogen utilization in various devices in the future. ing.
上記に関連する技術として、触媒を用いて所定条件が成立したときに、吸熱反応である燃料の水蒸気改質反応と水蒸気改質反応で低下した触媒温度を再生する再生反応とを切替えて行なうことができる燃料改質装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As a technology related to the above, when a predetermined condition is established using a catalyst, the steam reforming reaction of the fuel that is an endothermic reaction and the regeneration reaction that regenerates the catalyst temperature decreased by the steam reforming reaction are switched. A fuel reformer that can perform the above has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
この燃料改質装置では、二つの触媒を一組とし、一方の触媒で改質反応させるときには他方の触媒で再生反応させ、この両反応を交互に切替えることで改質性能が維持し得るようにしてあり、特に硫黄分が完全除去されていない液体燃料等の改質に好適とされている。
しかしながら、改質可能な温度は高温であり、反応器の蓄熱を利用して改質反応を行なうため、起動時など一旦触媒が冷えてしまった後は反応器の熱量が不足しており、必然的に暖機が必要で、所要温度にまで昇温させて所望の水素量を改質生成するまでには多大な時間を要し、起動を短時間に行なえない課題がある。 However, the reformable temperature is high, and the reforming reaction is performed using the heat stored in the reactor. Therefore, after the catalyst has cooled down at the time of start-up, the amount of heat in the reactor is insufficient. Therefore, warming up is necessary, and it takes a long time to raise the temperature to the required temperature to reform and produce the desired amount of hydrogen, and there is a problem that startup cannot be performed in a short time.
改質反応が不可能な程度にまで触媒が冷えてしまっていても、起動前にある程度の蓄熱が残っているときには、その蓄熱量が起動時に有効に利用されず、エネルギー効率の点での課題もある。 Even if the catalyst has cooled to such an extent that the reforming reaction is impossible, if a certain amount of heat storage remains before the start-up, that heat storage amount is not used effectively at the start-up, which is a problem in terms of energy efficiency. There is also.
特に、燃料電池と組合せた燃料電池システムを構成して車両に搭載するような場合には、燃料電池が通常の発電運転に移行可能となるまでの間、つまり燃料改質装置で改質生成されて燃料電池に供される水素量が発電所要量に達するまでの間の電力供給を、別置きの大型蓄電装置等で賄うことが必要になり、システム全体のコストおよび重量が嵩むほか、安定した電力供給性能や車両内スペースなど搭載するうえでの課題もある。 In particular, when a fuel cell system combined with a fuel cell is configured and mounted on a vehicle, the fuel cell is reformed and generated until the fuel cell can be shifted to normal power generation operation, that is, the fuel reformer. As a result, it is necessary to supply power until the amount of hydrogen supplied to the fuel cell reaches the required amount of power generation using a separate large-scale power storage device, etc. There are also problems in mounting such as power supply performance and space in the vehicle.
本発明は、上記に鑑み成されたものであり、不要な暖機運転を行なわず、起動から短時間で低燃料量にて水素の改質生成を行ない得る水素生成装置および燃料電池システムを提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides a hydrogen generator and a fuel cell system that can perform reforming and generation of hydrogen in a short amount of fuel from startup without performing unnecessary warm-up operation. It is an object to achieve this purpose.
本発明は、吸熱反応である燃料の水蒸気改質反応と、水蒸気改質反応により低下した触媒温度を回復させて触媒上での改質反応性を再生するための発熱反応(以下、「再生反応」ともいう。)とを切替えて行なう際に、起動時には改質反応環境を加味し、改質/再生反応を切替えて行なう複数の改質器の蓄熱量を考慮した起動制御が改質生成性の向上に効果的であるとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。
なお、本発明における発熱反応には、燃焼反応等が含まれる。
The present invention relates to a steam reforming reaction of fuel, which is an endothermic reaction, and an exothermic reaction (hereinafter referred to as “regeneration reaction”) for recovering the reforming reactivity on the catalyst by recovering the catalyst temperature lowered by the steam reforming reaction. )), The start-up control taking into account the reforming reaction environment at the start-up and switching the reforming / regeneration reaction in consideration of the heat storage amount of the reformers is the reforming productivity. It has been achieved based on the knowledge that it is effective in improving the above.
The exothermic reaction in the present invention includes a combustion reaction and the like.
前記目的を達成するために、第1の発明である水素生成装置は、触媒を備え、改質用原料が供給されたときには加熱された前記触媒上で前記改質用原料を改質反応させ、発熱用燃料が供給されたときには該発熱用燃料を発熱反応させて前記触媒を加熱する、少なくとも2基の改質反応器と、起動時に、前記少なくとも2基の改質反応器より選択された蓄熱量の最も多い改質反応器の温度条件が改質反応可能な状態に到達しているか否かを判定する判定手段と、で構成したものである。 In order to achieve the object, the hydrogen generator according to the first invention comprises a catalyst, and when the reforming raw material is supplied, the reforming raw material is reformed on the heated catalyst, When the exothermic fuel is supplied, the exothermic reaction of the exothermic fuel causes the exothermic reaction to heat the catalyst, and the heat storage selected from the at least two reformer reactors at startup Determining means for determining whether or not the temperature condition of the reforming reactor having the largest amount has reached a state in which the reforming reaction is possible.
改質反応可能な状態とは、ある一定の改質効率を維持すると共に、煤等の発生なく安定した改質反応を1秒以上維持することが可能な状態をいう。 The state in which the reforming reaction is possible refers to a state in which a certain reforming efficiency is maintained and a stable reforming reaction can be maintained for 1 second or more without generation of soot and the like.
本発明の水素生成装置には、蓄熱を利用した燃料の水蒸気改質反応と水蒸気改質反応で低下した蓄熱量を回復させる再生反応とを交互に切替えて行なうことができる少なくとも2基の改質反応器(以下、「PSR(Pressure swing reforming)型改質器」ともいう。)が設けられており、少なくとも1基が燃料の水蒸気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なっている(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 according to the present invention includes at least two reforming units capable of alternately switching between a steam reforming reaction of fuel using heat storage and a regeneration reaction for recovering the heat storage amount reduced by the steam reforming reaction. A reactor (hereinafter also referred to as “PSR (Pressure swing reforming type reformer)”) is provided, and at least one of the reactors performs a steam reforming reaction of the fuel, and at least one of the other reactors performs a regeneration reaction. (Hereinafter, this hydrogen generator is sometimes referred to as a “PSR reformer”).
本発明に係る改質反応には、下記のように、吸熱反応である水蒸気改質反応と発熱反応である部分酸化反応とが含まれる。本発明における改質反応においては、下記(1)の水蒸気改質反応が主として行なわれる。
CnH2n+2+nH2O → (2n+1)H2+nCO …(1)
CnH2n+2+(n/2)O2 → (n+1)H2+nCO …(2)
CO+H2O ⇔ CO2+H2 …(3)
CO+3H2 ⇔ CH4+H2O …(4)
The reforming reaction according to the present invention includes a steam reforming reaction that is an endothermic reaction and a partial oxidation reaction that is an exothermic reaction, as described below. In the reforming reaction in the present invention, the following steam reforming reaction (1) is mainly performed.
C n H 2n + 2 + nH 2 O → (2n + 1) H 2 + nCO ... (1)
C n H 2n + 2 + (n / 2) O 2 → (n + 1) H 2 + nCO (2)
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (3)
CO + 3H 2 CHCH 4 + H 2 O (4)
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水蒸気改質反応をさせると共に、他方では発熱反応である再生反応を行なわせるようにし、前記一方の蓄熱量が水蒸気改質反応させることにより低下したときには、2基の改質反応器への改質用原料の流路および発熱用燃料の流路を切替える切替手段によって、前記一方を再生反応に切替えると共に、前記他方では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 performs a steam reforming reaction that is an endothermic reaction by using heat storage in the chamber, and the other side performs a regeneration reaction that is an exothermic reaction. When the amount of stored heat is reduced by the steam reforming reaction, one of the two is converted into a regeneration reaction by switching means for switching the reforming raw material flow path and the exothermic fuel flow path to the two reforming reactors. In addition to switching, the other side switches from the regeneration reaction to the reforming reaction so that the fuel reforming is performed by the heat stored by the regeneration reaction. This eliminates the need for a separate heater and enables continuous hydrogen generation with high use efficiency of heat energy.
第1の発明においては、起動時に、複数の改質反応器のうち蓄熱量の最も多い改質反応器について、その温度条件が改質反応可能な状態に到達しているか否かを判定することで、起動に合わせて暖機する必要があるか否かの判断が行なえるので、起動時の不要な暖機運転並びに不要な暖機時間を減らすことができ、不要な暖機運転に伴なう燃料消費をも軽減することができる。
また、暖機を行なう場合には、起動から水素の改質生成を行ない得るのに要する起動時間を短縮することができる。
In the first invention, at the time of start-up, with respect to the reforming reactor having the largest amount of heat storage among the plurality of reforming reactors, it is determined whether or not the temperature condition has reached a state where the reforming reaction is possible. Therefore, it is possible to determine whether or not it is necessary to warm up in accordance with the start-up, so that unnecessary warm-up operation and unnecessary warm-up time at the start-up can be reduced. Fuel consumption can also be reduced.
In addition, when warming up, it is possible to shorten the startup time required for hydrogen reforming and generation from startup.
第1の発明は、改質反応器への改質用原料の供給流路および発熱用燃料の供給流路を切替える切替手段と、前記判定手段により蓄熱量の最も多い改質反応器の温度条件が改質反応可能な状態に到達していると判定されたときに、蓄熱量の最も多い改質反応器に改質用原料が供給されるように、切替手段により供給流路を切替える切替制御手段とを更に設けて構成することができる。 According to a first aspect of the present invention, there is provided switching means for switching a reforming raw material supply flow path and a heat generating fuel supply flow path to the reforming reactor, and a temperature condition of the reforming reactor having the largest amount of heat storage by the determination means. Switching control to switch the supply flow path by switching means so that the reforming raw material is supplied to the reforming reactor with the largest amount of heat storage when it is determined that the reforming reaction is possible. Further means can be provided.
複数の改質反応器のうち蓄熱量の最も多い改質反応器の温度条件が改質反応可能な状態に既に到達していると判定されたときには、改質用原料が供給されると水素ガスの改質生成を行ない得る温度環境にあり、供給流路を切替えて改質反応を行なわせる改質側の改質反応器に改質用原料を供給する制御を行なうので、起動後に暖機時間なしにて迅速に、水素ガスの改質生成を開始することができる。 When it is determined that the temperature condition of the reforming reactor having the largest amount of heat storage among the plurality of reforming reactors has already reached a state where the reforming reaction is possible, hydrogen gas is supplied when the reforming raw material is supplied. The temperature of the reforming reactor is in a temperature environment where the reforming reaction can be performed, and the reforming reactor is controlled by switching the supply flow path to perform the reforming reaction. Without this, reforming production of hydrogen gas can be started quickly.
切替制御手段では更に、前記判定手段により蓄熱量の最も多い改質反応器の温度条件が改質反応可能な状態に到達していないと判定されたときには、蓄熱量の最も多い改質反応器に発熱用燃料が供給されるように、切替手段を制御して供給流路を切替えるようにすることが望ましい。 Further, in the switching control means, when it is determined by the determination means that the temperature condition of the reforming reactor having the largest amount of heat storage has not reached the state capable of the reforming reaction, the reforming reactor having the largest amount of heat storage is set. It is desirable to control the switching means to switch the supply flow path so that the fuel for heat generation is supplied.
蓄熱量の最も多い改質反応器の温度条件が改質反応可能な状態に未だ到達していないと判定されたときには、改質用原料が供給されても所望量以上の水素ガスを改質生成し得ない低温環境にあるが、最も蓄熱量が多い改質反応器を供給対象とし、蓄熱量の最も多い改質反応器に発熱用燃料を供給する制御を行なうので、暖機時間を短縮することができる。 When it is determined that the temperature condition of the reforming reactor with the largest amount of heat storage has not yet reached the state in which the reforming reaction is possible, reforming and generation of more than the desired amount of hydrogen gas is achieved even if the reforming raw material is supplied. Although it is in a low temperature environment that can not be done, the reforming reactor with the largest amount of heat storage is the target of supply, and control is performed to supply the exothermic fuel to the reforming reactor with the largest amount of heat storage, thus shortening the warm-up time be able to.
第1の発明である水素生成装置には、改質反応器に備えられた触媒の温度(触媒温度)を検出する検出手段を更に設けて、切替制御手段によって、検出手段により検出された触媒温度に基づいて選択された蓄熱量の最も多い改質反応器に改質用原料または燃料用燃料が供給されるように、供給流路を切替える構成とすることができる。 The hydrogen generator according to the first aspect of the present invention further includes detection means for detecting the temperature (catalyst temperature) of the catalyst provided in the reforming reactor, and the catalyst temperature detected by the detection means by the switching control means. The supply flow path can be switched so that the reforming raw material or fuel for fuel is supplied to the reforming reactor having the largest amount of heat storage selected based on the above.
すなわち、蓄熱量の最も多い改質反応器の選択を各改質反応器に設けられた触媒の温度に基づいて行なうようにし、複数の改質反応器のうち、触媒温度の最も高い改質反応を蓄熱量の最も多い改質反応器として、触媒温度が改質反応可能な温度に到達していると判定されたときには、水素ガスの改質生成を行ない得る温度環境にあるので改質用原料を供給し、逆に触媒温度が改質反応可能な温度に到達していないと判定されたときには、改質用原料が供給されても所望量以上の水素ガスを改質生成し得ない低温環境にあるので発熱用燃料を供給するように構成されるので、水素ガスの改質生成の開始を、起動後に暖機時間なしにて迅速に、あるいは暖機時間を短縮して行なうことができる。 That is, the reforming reactor having the largest heat storage amount is selected based on the temperature of the catalyst provided in each reforming reactor, and the reforming reaction having the highest catalyst temperature among the plurality of reforming reactors is performed. As a reforming reactor having the largest amount of heat storage, when it is determined that the catalyst temperature has reached a temperature at which the reforming reaction is possible, the reforming raw material is in a temperature environment capable of reforming and generating hydrogen gas. Conversely, when it is determined that the catalyst temperature has not reached the temperature at which the reforming reaction is possible, a low temperature environment in which more than a desired amount of hydrogen gas cannot be reformed and produced even when the reforming raw material is supplied Therefore, since the fuel for heat generation is configured to be supplied, the reformed generation of hydrogen gas can be started promptly or without a warm-up time after start-up.
第2の発明である燃料電池システムは、前記第1の発明である水素生成装置と、水素生成装置で改質生成された水素含有ガスの供給により発電する燃料電池とで構成したものである。 A fuel cell system according to a second aspect of the invention comprises a hydrogen generator according to the first aspect of the invention and a fuel cell that generates electric power by supplying a hydrogen-containing gas reformed and produced by the hydrogen generator.
上記のように、起動の際に、蓄熱量の最も多い改質反応器の温度条件が改質反応可能な状態に到達しているか否かを判定することで、起動に合わせて暖機する必要があるか否かの判断が行なえるので、起動時の不要な暖機運転並びに不要な暖機時間を減らして、起動から迅速に改質反応を開始することが可能であり、不要な暖機運転に伴なう燃料消費をも軽減することができる。 As described above, it is necessary to warm up at the time of start-up by determining whether or not the temperature condition of the reforming reactor having the largest amount of heat storage has reached a state in which the reforming reaction is possible. Therefore, it is possible to reduce the unnecessary warm-up operation and unnecessary warm-up time at start-up, and to start the reforming reaction quickly from start-up. Fuel consumption associated with driving can also be reduced.
第2の発明では、水素透過性金属層の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質を備えた燃料電池を用いて構成することが効果的である。このような、水素透過性金属層の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質を備えた燃料電池は、作動温度域が300〜600℃であるため、改質反応が進行する反応温度域と略同域にあり、改質生成された水素リッチガスを燃料電池の運転温度域で供給することができると共に、燃料電池のアノード側およびカソード側のオフガスはそのままPSR型改質器に戻されて再生等の反応に利用できるので、システム構成上および熱エネルギーの有効利用の点で特に適している。また、供給前の予熱も不要である。 In the second invention, it is effective to use a fuel cell including an electrolyte in which an electrolyte layer is laminated on at least one side of a hydrogen permeable metal layer. Such a fuel cell including an electrolyte in which an electrolyte layer is laminated on at least one side of a hydrogen permeable metal layer has an operating temperature range of 300 to 600 ° C. The hydrogen rich gas produced by reforming can be supplied in the operating temperature range of the fuel cell, and the off-gas on the anode side and cathode side of the fuel cell is directly returned to the PSR reformer for regeneration, etc. Therefore, it is particularly suitable in terms of system configuration and effective use of thermal energy. In addition, preheating before supply is unnecessary.
本発明は、改質器に蓄えられた蓄熱量を利用して改質反応させ、燃料電池システムとしたときには改質生成された水素を燃料電池に供給すると共に、燃料の水蒸気改質により低下した改質器の蓄熱量を発熱反応(再生反応)を行なわせて回復するようにして、改質反応と再生反応とを交互に切替えて行なう場合に、最も蓄熱量の多い改質器が改質可能な温度条件を満たすときには、不要な暖機運転を行なわずに起動でき、最も蓄熱量の多い改質器を優先して暖気対象とする構成とするときには、短時間で不要な燃料消費を抑えた起動が可能なシステムを構築することができる。 In the present invention, when a reforming reaction is performed by using a heat storage amount stored in a reformer to form a fuel cell system, the reformed and generated hydrogen is supplied to the fuel cell and is reduced by steam reforming of the fuel. When the reformer's heat storage amount is recovered by performing an exothermic reaction (regeneration reaction) and the reforming reaction and the regeneration reaction are switched alternately, the reformer with the most heat storage amount reforms. When possible temperature conditions are met, the system can be started without unnecessary warm-up operation, and when it is configured to give priority to the reformer with the most heat storage, the unnecessary fuel consumption can be reduced in a short time. It is possible to build a system that can be started.
本発明によれば、不要な暖機運転を行なわず、起動から短時間で低燃料量にて水素の改質生成を行ない得る水素生成装置および燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a hydrogen generator and a fuel cell system that can perform reforming and generation of hydrogen with a low amount of fuel in a short time after startup without performing unnecessary warm-up operation.
以下、図1〜図4を参照して、本発明の燃料電池システムの実施形態について詳細に説明すると共に、該説明を通じて本発明の水素生成装置の詳細についても具体的に説明する。なお、下記の実施形態では、発熱用燃料として燃焼用燃料を用いた場合を中心に説明する。 Hereinafter, with reference to FIGS. 1 to 4, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail, and details of the hydrogen generator of the present invention will also be specifically described through the description. In the following embodiment, a case where combustion fuel is used as the heat generating fuel will be mainly described.
本実施形態の燃料電池システムは、水素透過性の金属膜の膜面にプロトン伝導性のセラミックスが積層されたものを電解質膜として用いた水素分離膜型燃料電池(HMFC)が搭載された電気自動車に本発明の水素生成装置を搭載し、システム起動時に、水素生成装置を構成する改質反応器の触媒温度を検出し、検出された触媒温度の最も高い(蓄熱量の最も多い)改質反応器の温度条件が改質反応可能な状態に到達しているか否かを判定して改質用燃料または燃焼用燃料の供給を行なうように構成したものである。 The fuel cell system of the present embodiment is an electric vehicle equipped with a hydrogen separation membrane fuel cell (HMFC) using an electrolyte membrane in which proton conductive ceramics are laminated on the membrane surface of a hydrogen permeable metal membrane. Equipped with the hydrogen generator of the present invention, and at the start of the system, the catalyst temperature of the reforming reactor constituting the hydrogen generator is detected, and the reforming reaction having the highest detected catalyst temperature (the largest amount of heat storage) It is configured to supply the reforming fuel or the combustion fuel by determining whether or not the temperature condition of the reactor has reached a state where the reforming reaction is possible.
水素生成装置については、改質反応により改質する改質用原料としてガソリン(あるいはガソリンおよび水蒸気の混合ガスでもよい)を、再生反応時に燃焼させる燃焼用燃料として燃料電池の水素極側から排出されたアノードオフガス(および必要に応じてガソリンや水素ガス等)を用いる場合を中心に説明する。但し、本発明においては下記実施形態に制限されるものではない。 Regarding the hydrogen generator, gasoline (or a mixed gas of gasoline and steam) as a reforming raw material to be reformed by a reforming reaction is discharged from the hydrogen electrode side of the fuel cell as a combustion fuel to be combusted during the regeneration reaction. In the following description, the anode off-gas (and gasoline or hydrogen gas, if necessary) is used. However, the present invention is not limited to the following embodiment.
本実施形態の水素生成装置は、図1に示すように、触媒を内装すると共に少なくともガソリンを噴射する噴射装置が設けられ、改質反応と再生反応とを交互に切替えて行なわせることが可能な第1のPSR型改質器10および第2のPSR型改質器11を備えており、各PSR型改質器で水素(水素リッチガス)が改質生成されると、改質生成された水素はそのPSR型改質器と接続されている水素分離膜型燃料電池(HMFC)200に供給されるようになっている。
As shown in FIG. 1, the hydrogen generator of the present embodiment is provided with an injection device that includes a catalyst and at least injects gasoline, and can alternately perform reforming reaction and regeneration reaction. When the
PSR型改質器10およびPSR型改質器11での改質反応と再生反応との相互切替は、ガソリン(改質用原料)をPSR型改質器へ供給するための流路、アノード(水素極;以下同様)オフガス(発熱用燃料)をPSR型改質器へ供給するための流路、改質生成された水素リッチガスをPSR型改質器から排出するための流路、並びに再生反応させたPSR型改質器からの排出ガスを排出するための流路を切替える切替手段、具体的には複数のバルブ(バルブV1〜V9)を制御装置100で制御して行なえるようになっている。
The mutual switching between the reforming reaction and the regeneration reaction in the
第1のPSR型改質器10の一端には、改質用原料であるガソリン(あるいはガソリンおよび水蒸気の混合ガス)を噴射するための噴射装置15が取付けられており、噴射装置15を介してバルブV1を備えた供給配管102が一端で接続されると共に、バルブV4を備えた排出配管105の一端が更に接続されている。また、第2のPSR型改質器11の一端には、改質用原料であるガソリンおよび水蒸気の混合ガスを噴射するための噴射装置17が取付けられており、噴射装置17を介してバルブV2を備えた供給配管103が一端で接続されると共に、バルブV3を備えた排出配管104の一端が更に接続されている。そして、供給配管102および103の各他端は、混合器117を備え、ガソリンを水蒸気と混合して混合ガス(改質用原料)を供給する燃料供給管101と接続され、バルブV1〜V4を自動的に切替えることによって選択的に、改質反応させる改質側のPSR型改質器に改質用原料を供給すると共に、再生反応させる再生側のPSR型改質器から再生反応により生じた燃焼ガス(以下、「燃焼オフガス」ともいう。)を排出できるようになっている。
At one end of the
また、排出配管104および105の各他端は、燃焼オフガスを外部に排出するための排出管106の一端と接続され、燃焼オフガスの排出が可能なようになっている。
Further, the other ends of the
第1のPSR型改質器10の他端には、燃焼用に供給されたエア(支燃エア)を、水素分離膜型燃料電池(以下、単に「燃料電池」ともいう。)200からのアノードオフガス及び必要によりガソリンや水素ガス等と共に噴射するための噴射装置16が取付けられており、バルブV6を備えた排出配管107および、噴射装置16を介してバルブV8を備えた供給配管110が各々一端で接続されている。
At the other end of the
第2のPSR型改質器11の他端には、燃焼用に供給されたエア(支燃エア)を、燃料電池200からのアノードオフガス及び必要によりガソリンや水素ガス等と共に噴射するための噴射装置18が取付けられており、バルブV7を備えた排出配管108および、噴射装置18を介してバルブV5を備えた供給配管109が各々の一端で接続されている。
An injection for injecting air supplied for combustion (combustion support air) to the other end of the
そして、排出配管107および108の各他端は、各々が一端で繋がるPSR型改質器で改質生成された水素リッチガスを水素分離膜型燃料電池200に供給する水素供給管111の一端と接続されている。また、供給配管109および110の各他端は、ポンプP1及び混合器119が取付けられたエア供給管120の一端が接続された接続配管118と接続されている。混合器119には、供給配管109および110が一端で繋がるPSR型改質器にアノードオフガスを供給する供給配管112の一端が接続されており、支燃エアの供給と共にアノードオフガス等の供給が可能なようになっている。
Each of the other ends of the
バルブV5〜V8を切替えることによって、選択的に再生側のPSR型改質器に支燃エアおよびアノードオフガス(および必要によりガソリンや水素ガス等)を供給し、改質側のPSR型改質器において生成、排出された水素リッチガスを発電用燃料として燃料電池200に供給できるようになっている。
By switching valves V5 to V8, combustion support air and anode off-gas (and gasoline or hydrogen gas, if necessary) are selectively supplied to the regeneration-side PSR reformer, and the reforming-side PSR reformer The hydrogen-rich gas generated and discharged in can be supplied to the
噴射装置15および17は、各々が取付けられているPSR型改質器が改質反応させるときにガソリンおよび水蒸気の混合ガス(改質用原料)を広角に噴射し、噴射装置16および18は、各々が取付けられているPSR型改質器が再生反応させるときに、支燃エアおよびアノードオフガス(および必要によりガソリンや水素ガス等)を広角に噴射することにより、PSR型改質器に内装された触媒12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。
The
水素供給管111には更に、余剰な水素リッチガスを別途取付けた水素貯蔵タンク(例えば水素吸蔵装置)に水素吸蔵させるようにし、起動時や低負荷時あるいは負荷変動により水素要求量が変動する場合に、水素貯蔵タンクから水素を取出して水素量を適宜増減するようにしてもよく、また、水素供給量を一時的に変化させてPSR型改質器に供給されるアノードオフガス中の水素(燃焼用燃料)量の増減調整を適宜行なうことも可能である。
The
供給配管112には、バルブV9が設けられており、バルブV9を介して外部供給管113およびエア供給管116が接続され、外部供給管113により燃焼用燃料として追加的にガソリンや水素ガス等を外部から補給可能であると共に、エア供給管116によりアノードオフガス中の水素等(燃焼用燃料)を燃焼させるためのエア(支燃エア)を加給し、またエア量を制御することができるようになっている。また、燃料電池200からのカソード(酸素極;以下同様)オフガスを挿通するための配管を供給配管109、110または112あるいは直にPSR型改質器に接続し、支燃エアの量を制御すると共に、比較的高温のカソードオフガスを追加的に供給することで調温可能なように構成するようにしてもよい。
The
供給配管112には、開度によりアノードオフガス量を調節する絞り弁や水素バッファータンク(例えば水素吸蔵装置、高圧水素タンクなど)を設け、絞り弁の駆動や水素バッファータンクからの水素供給を行なうことにより、PSR型改質器への供給量を発電運転状態に連動しないように制御することもできる。
The
水素分離膜型燃料電池200には、アノード(水素極)側において、水素供給管111の他端と、アノードオフガスの排出、挿通が可能な供給配管112の他端とが接続されると共に、カソード(酸素極)側において、発電運転させるための酸素含有率の高いエア(酸化剤ガス)を供給するためのエア供給管114と、電池反応で生じたカソードオフガスを排出するための排出配管115とが各々一端で接続されている。このようにして、燃料電池200は改質生成された水素とエアとが供給されたときに発電運転し、発電後にはオフガス(アノードオフガスおよびカソードオフガス)を電池外部に排出できるように構成され、さらに排出されたアノードオフガスを供給配管112を挿通して主に再生側のPSR型改質器に供給できるようになっている。
On the anode (hydrogen electrode) side, the hydrogen separation
また、排出配管115の他端は、燃料供給管101に設けられた混合器117で接続されており、カソードオフガス中に含まれる水分(および残存酸素)を改質反応に必要な水蒸気源として循環利用できるように構成されている。
The other end of the
燃料電池200の内部には、大気中から給気した冷却用エア(冷却媒体)を挿通する冷却管を設けて冷却エアとの熱交換により電池内部の冷却が行なえるようにし、この冷却管を供給配管109、110または112あるいは直に再生側のPSR型改質器に接続し、冷却管から排出された冷却用エアを供給して、調温制御および流量制御を可能とすると共に、再生反応時の燃焼に用いる支燃エアとして利用するようにしてもよい。
The
第1のPSR型改質器10は、図3に示すように、両端が閉塞された断面円形の筒状体13と、筒状体13の内壁面に担持された触媒(触媒担持部)12とで構成されており、筒状体13は反応を行なうための空間を形成すると共に、触媒担持体として機能を担っている。
As shown in FIG. 3, the
筒状体13は、セラミックスハニカムを用いて直径10cmの断面円形の筒型に成形し、筒の長さ方向の両端を閉塞した中空体である。断面形状やサイズは、目的等に応じて、円形以外の矩形、楕円形などの任意の形状、サイズを選択することができる。
The
触媒12は、筒状体内壁の曲面のうち、筒状体の長さ方向両端から筒内方向に向かう筒の中央付近、すなわち長さ方向の両端からそれぞれ所定距離Aの領域を触媒を担持しない触媒非担持部12A,12Bとして残し(図1参照)、触媒非担持部を除く全面に担持されている。触媒12には、Pd、Ni、Pt、Rh、Ag、Ce、Cu、La、Mo、Mg、Sn、Ti、Y、Zn等の金属を用いることができる。
The
触媒12により改質反応させた場合、改質生成された水素リッチガスは該ガスの排出方向下流側の触媒非担持部12Aで冷却され、水素リッチガスを燃料電池200の運転温度に近づけて供給できると共に、逆に改質反応から再生反応に切替えられた場合には、触媒非担持部12Aは水素リッチガスとの熱交換により昇温した状態あり、水素リッチガスの排出方向とは逆向きに供給された燃焼用燃料を触媒非担持部12Aで予熱させてから触媒12に供給できるようになっている。これにより、触媒12が担持された筒状体13の中央付近ほど、蓄熱量が高くなる温度分布が形成され、反応性の点で有利である。また、筒状体13には、触媒の温度を計測するための温度センサ19が取付けられている。
When the reforming reaction is performed by the
第2のPSR型改質器11は、第1のPSR型改質器10と同様に構成されており、第1のPSR型改質器10で行なわせる反応(改質反応であるか再生反応であるか)との関係で、改質反応と再生反応とを切替えて行なえるようになっている。
The
水素分離膜型燃料電池(HMFC)200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51と、電池膜51を狭持する酸素極(O2極)52および水素極(H2極)53とで構成されており、PSR型改質器10で改質生成された水素リッチガスが供給されると水素を選択的に透過させて発電運転が行なえるようになっている。
As shown in FIG. 4, the hydrogen separation membrane fuel cell (HMFC) 200 includes a
酸素極52と電池膜51との間には、酸化剤ガスとして空気(Air)を通過、すなわち給排するためのエア流路59aが形成されており、水素極53と電池膜51との間には、水素リッチな燃料ガス(ここでは、改質生成された水素リッチガス)を通過、すなわち給排するための燃料流路59bが形成されている。酸素極52および水素極53は、カーボン(例えば、白金または白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉)や電解質溶液(例えば、Aldrich Chemical社製のNafion Solution)など種々の材料を用いて形成可能である。
Between the
電池膜51は、バナジウム(V)で形成された緻密な基材(水素透過性金属からなる緻密な水素透過層)56を含む5層構造となっている。パラジウム(Pd)層(水素透過性材料からなる緻密な水素透過層)55、57は、基材56を両側から挟むようにして設けられており、一方のPd層55の基材56と接する側と逆側の面には、更にBaCeO3(固体酸化物)からなる電解質層54が薄層状に設けられている。さらに、電解質層54のPd層55と接する側とは逆側の面には、ランタンコバルトタイトからなるカソード層58が薄層状に設けられている。Pd層57とカソード層58とが集電板として機能する。
The
基材56は、バナジウム(V)以外に、ニオブ、タンタル、およびこれらの少なくとも一種を含む合金を用いて好適に形成することができる。これらは、高い水素透過性を有すると共に、比較的安価である。
The
電解質層(BaCeO3層)54は、BaCeO3以外にSrCeO3系のセラミックスプロトン伝導体などを用いて構成することができる。また、カソード層58は、ランタンコバルトタイト以外に、ランタンマンガネート、銀、白金、白金担持カーボン等の導電性材料を用いて構成することができる。
Electrolyte layer (BaCeO 3 layer) 54 can be configured by using a SrCeO 3 based ceramic proton conductor other than BaCeO 3. Further, the
水素透過性金属には、パラジウム以外に、例えば、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一種を含む合金、並びにパラジウム合金などが挙げられる。これらを用いた緻密層を設けることで電解質膜を保護できる。 Examples of the hydrogen permeable metal include, in addition to palladium, vanadium, niobium, tantalum, an alloy containing at least one of these, and a palladium alloy. The electrolyte membrane can be protected by providing a dense layer using these.
水素透過性金属からなる緻密層(被膜)については、酸素極側では、一般に水素透過性が高く比較的安価である点で、例えば、バナジウム(バナジウム単体および、バナジウム−ニッケル等の合金を含む。)、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一種を含む合金のいずれかを用いるのが好ましい。これらは水素極側での適用も可能であるが、水素脆化を回避する点で酸素極側が望ましい。また、水素極側では、水素透過性が比較的高く水素脆化しにくい点で、例えば、パラジウムまたはパラジウム合金を用いるのが好ましい。 The dense layer (coating film) made of a hydrogen permeable metal includes, for example, vanadium (vanadium alone and an alloy such as vanadium-nickel) in that the oxygen electrode side generally has high hydrogen permeability and is relatively inexpensive. ), Niobium, tantalum, and alloys containing at least one of these are preferably used. Although these can be applied on the hydrogen electrode side, the oxygen electrode side is desirable in terms of avoiding hydrogen embrittlement. On the hydrogen electrode side, it is preferable to use, for example, palladium or a palladium alloy because hydrogen permeability is relatively high and hydrogen embrittlement is difficult.
図4に示すように、Pd層55/基材56/Pd層57の3層からなるサンドウィッチ構造の層、すなわち異種金属(水素透過性材料からなる緻密層)からなる2層以上の積層構造を有してなる場合、異種金属の接触界面の少なくとも一部に該異種金属同士の拡散を抑制する金属拡散抑制層を設けるようにしてもよい(例えば図5及び図6参照)。金属拡散抑制層については、特開2004−146337号公報の段落[0015]〜[0016]に記載されている。
As shown in FIG. 4, a sandwich structure composed of three layers of
上記のように、サンドウィッチ構造の層をパラジウム(Pd)/バナジウム(V)/Pdとする以外に、Pd/タンタル(Ta)/V/Ta/Pd等の5層構造などとして設けることも可能である。既述のように、VはPdよりプロトンまたは水素原子の透過速度が速く安価であるが、水素分子をプロトン等に解離する能力が低いため、水素分子をプロトン化する能力の高いPd層をV層の片側または両側の面に設けることで、透過性能を向上させることができる。この場合に、金属層間に金属拡散抑制層を設けることで、異種金属同士の相互拡散を抑え、水素透過性能の低下、ひいては燃料電池の起電力の低下を抑制することができる。 As described above, the sandwich layer may be provided as a five-layer structure such as Pd / tantalum (Ta) / V / Ta / Pd in addition to palladium (Pd) / vanadium (V) / Pd. is there. As described above, V has a faster proton or hydrogen atom permeation rate than Pd and is inexpensive, but has a low ability to dissociate hydrogen molecules into protons and the like. By providing on one or both sides of the layer, the transmission performance can be improved. In this case, by providing a metal diffusion suppressing layer between the metal layers, mutual diffusion between different metals can be suppressed, and a decrease in hydrogen permeation performance and hence a decrease in electromotive force of the fuel cell can be suppressed.
また、電解質層54は固体酸化物からなり、Pd層55との界面の少なくとも一部には、電解質層中の酸素原子とPdとの反応を抑制する反応抑制層を設けるようにしてもよい(例えば図5の反応抑制層65)。この反応抑制層については、特開2004−146337号公報の段落[0024]〜[0025]に記載されている。
The
電池膜51は、緻密な水素透過性金属であるバナジウム基材と燃料電池のカソード側に成膜された無機質の電解質層とで構成されることにより、電解質層の薄層化が可能で、一般に高温型の固体酸化物型燃料電池(SOFC)の作動温度を300〜600℃の温度域に低温化することができる。これにより、燃料電池から排出されたカソードオフガスを直接、改質反応させるPSR型改質器に供給する本発明の燃料電池システムを好適に構成することが可能である。
The
水素分離膜型燃料電池200は、燃料流路59bに水素(H2)密度の高い水素リッチガスが供給され、エア流路59aに酸素(O2)を含む空気が供給されると、下記式(1)〜(3)で表される電気化学反応(電池反応)を起こして外部に電力を供給する。なお、式(1) 、式(2)は各々アノード側、カソード側での反応を示し、式(3)は燃料電池での全反応である。
H2 → 2H++2e− …(1)
(1/2)O2+2H++2e− → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
In the hydrogen separation
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)
PSR型改質器10,11、水素分離膜型燃料電池(HMFC)200、バルブV1〜V9、噴射装置15〜18、温度センサ19、並びに混合器117,119等は、制御装置100と電気的に接続されており、制御装置100によって動作タイミングが制御されるようになっている。この制御装置100は、水素分離膜型燃料電池と接続されている不図示の負荷の大きさに応じて水素ガスおよびエアの量を調節することにより出力を制御する該燃料電池の通常の発電運転制御を担うと共に、PSR改質装置における改質反応および再生反応の制御をも担うものである。
The
ここで、燃料電池システムの制御装置100による制御ルーチンについて、特に燃料電池の起動時に行なう起動時制御ルーチンを中心に図2を参照して説明する。
Here, a control routine performed by the
図2は、起動時制御ルーチンを示すものである。イグニッション(IG)スイッチがオンされ、本ルーチンが実行されると、ステップ100において、PSR型改質器(PSR1)10およびPSR型改質器(PSR2)11のそれぞれに取り付けられている温度センサ19から、PSR1の触媒温度t1とPSR2の触媒温度t2が取り込まれる。
FIG. 2 shows a startup control routine. When the ignition (IG) switch is turned on and this routine is executed, in
次に、ステップ120において、取り込まれた触媒温度t1、t2を比較して最も高い温度Tmax、ここではt1、t2のうち温度のより高い方の触媒温度Tmax(例えばt1;以下、t1>t2の場合を例に説明する。)を選択し、触媒温度t1が改質可能温度T以上であるか否かが判定される。
Next, in
ここで、改質可能温度は、ある一定の改質効率を維持し、かつ煤等の発生がなく安定した改質反応を1秒以上維持することが可能な温度である。なお、この改質可能温度は、システム構成や条件(燃料、触媒、水蒸気/炭素(S/C)比、酸素/炭素(O/C)比、要求負荷など)により異なるものである。 Here, the reformable temperature is a temperature capable of maintaining a certain reforming efficiency and maintaining a stable reforming reaction for 1 second or more without generation of soot and the like. The reformable temperature differs depending on the system configuration and conditions (fuel, catalyst, steam / carbon (S / C) ratio, oxygen / carbon (O / C) ratio, required load, etc.).
ステップ120において、触媒温度t1が改質可能温度T以上に到達していると判定されたときには、PSR1を改質反応を行なう改質側の改質反応器としてPSR1にガソリンが供給されると水素ガスの改質生成が可能であるので、次にステップ140において、連続運転が可能か否か、すなわち暖機を行なわないまま、改質反応を必要時間維持することができるか否かが判定される。
In
ここで、「必要時間」とは、再生側のPSR改質器(ここでは、例えばPSR改質器11[PSR2])が改質可能温度T以上となるために必要な時間である。 Here, the “necessary time” is a time required for the regeneration-side PSR reformer (here, for example, the PSR reformer 11 [PSR2]) to reach the reformable temperature T or higher.
ステップ140では、例えば、PSR1を高温側(すなわち改質側)の改質反応器とし、PSR2を低温側(再生側)の改質反応器として、PSR1が改質反応可能な触媒温度T1を維持できる維持可能時間を諸条件(燃料、触媒、水蒸気/炭素(S/C)比、酸素/炭素(O/C)比、要求負荷など)に基づいて推定し、さらにPSR2(特に触媒)のPSR1における前記維持可能時間内に昇温可能な温度T2を諸条件(反応器熱容量、暖気熱量、暖気効率など)に基づいて推定して、T2≧改質可能温度Tを満たすと判定されたときに連続運転が可能であると判定するようにしてもよい。
In
そして、ステップ140において、PSR1における必要時間の改質反応が維持可能であると判定されたときには、次のステップ160において、高温側のPSR1が改質側の改質反応器に設定されているか否かが判定される。そして、ステップ160において、PSR1が改質側の改質反応器に設定されていると判定されたときには、本ルーチンを終了して後述する通常の発電運転に移行する。後述のように通常の発電運転への移行時は、高温側のPSR1において改質反応が開始され、そのままシステムを起動することが可能であり、このときPSR2では再生反応が開始される。
If it is determined in
このように、高温側のPSR1の蓄熱量を利用して改質反応を開始するので、起動時に不要な暖機を行なわず、システムの起動を迅速に行なうことができる。 As described above, since the reforming reaction is started using the heat storage amount of the high-temperature side PSR1, the system can be quickly started up without performing unnecessary warm-up at the time of startup.
一方、ステップ120において、触媒温度t1が改質可能温度T未満であると判定されたときには、ガソリンが供給されても水素の改質生成が行なえないので、ステップ200に移行する。
On the other hand, if it is determined in
また、上記のステップ140において、PSR1における必要時間の改質反応を維持することが不可能であると判定されたときも、ガソリンの供給して改質反応を開始しても改質反応による触媒の温度低下が著しく必要時間にわたって所望の水素生成が行なえないおそれがあるので、ガソリンの供給を行なわずにステップ200に移行する。
Further, when it is determined in
そして、次のステップ200では、触媒温度t1である高温側のPSR1でも改質反応を良好に継続し得ない状況にあるので、触媒温度t1のPSR1が、燃焼反応を起こさせて再生(暖機)を行なう再生側の改質反応器に設定されているか否かが判定され、ステップ200において、PSR1が再生側の改質反応器に設定されていないと判定されたときには、次のステップ220において、PSR1を再生側の改質反応器に設定する。逆に、ステップ200において、PSR1が再生側の改質反応器に既に設定されていると判定されたときには、そのままステップ240に移行する。このとき、PSR2は、改質反応を行なう改質側の改質反応器として設定される。
Then, in the
ステップ240では、バルブV1,V6を開き、再生側のPSR1に燃焼用燃料としてガソリンと支燃エアが供給されると共に、改質側に設定されたPSR1よりも触媒温度の低いPSR2にも、バルブV2,V5を開いて燃焼用燃料としてガソリンが供給され、同時に暖機が開始される。
In
ステップ240での暖機開始後、あるいはステップ160において、PSR1が改質側の改質反応器に設定されていないと判定されたときには、初めの触媒温度はPSR1(t1)の方がPSR2(t2)よりも高いため、暖機開始後はPSR1側がより速く改質可能温度Tに到達できるので、ステップ260において、再びPSR1を改質側の改質反応器に、PSR2を再生側の改質反応器に切り替えて設定する。そして、切り替え後に本ルーチンを終了し、通常の発電運転に移行する。この場合も後述するように、通常の発電運転への移行時には、PSR1において改質反応を行なってシステムを運転することが可能であり、このときPSR2では再生反応が継続される。
After the start of warm-up at
このように、高温側のPSR1の蓄熱量を利用して暖機するようにすることで、短時間に、しかも燃料消費を少なく抑えながらシステムの起動が可能となる。 As described above, the system can be started up in a short time while suppressing fuel consumption by warming up using the heat storage amount of the high-temperature side PSR1.
続いて、上記のようにして起動した後の燃料電池システムの通常の発電運転について具体的に説明する。 Next, the normal power generation operation of the fuel cell system after starting as described above will be specifically described.
PSR型改質器10で改質反応させると共に、PSR型改質器11で再生反応させる場合、バルブV1およびバルブV6を開きバルブV2およびバルブV7を閉じることにより、燃料供給管101と供給配管102、排出配管107と水素供給管111をそれぞれ連通させると共に、バルブV3およびバルブV5を開きバルブV4およびバルブV8を閉じることにより、供給配管109と供給配管112、排出配管104および排出管106をそれぞれ連通させる。このとき、ガソリンおよび水蒸気の混合ガス(改質用原料)は、PSR型改質器10に供給されて水蒸気改質反応に供され、ポンプP1からの支燃エアおよび燃料電池200からのアノードオフガスは、PSR型改質器11に供給されて燃焼反応に供される。改質用原料である混合ガスは、混合器117内でガソリンと排出配管115からのカソードオフガス中の水蒸気(水分)とを混合して生成され、PSR型改質器10に送られる。
When the
PSR型改質器10では、改質反応切替前の再生反応で蓄熱量が増大した状態にあり、供給配管102を挿通して噴射装置15からガソリンおよび水蒸気の混合ガス(改質用原料)が噴射されて触媒12上に供給されると、触媒12でガソリンの水蒸気改質が行なわれて水素リッチな合成ガス(水素リッチガス)が生成される。改質反応は、300〜1100℃の蓄熱下で行なうのが望ましい。
In the
上記のように改質生成された水素リッチガスは、PSR型改質器10の排出配管107が接続する側の触媒非担持部12Aで予め冷却された後、排出配管107および水素供給管111を挿通して水素分離膜型燃料電池200のアノード側に供給され、さらにカソード側に設けられたエア供給管114からエアが供給されて、発電運転(電池反応)される。供給された水素リッチガスが発電運転で消費されると、その後アノードオフガスとして供給配管112に排出され、供給配管112および供給配管109を挿通して噴射装置18から噴射される。アノードオフガスには、主として電池反応に供されなかった残存水素およびCO、CH4が含まれる。
The hydrogen-rich gas generated by reforming as described above is cooled in advance by the catalyst
このとき、アノードオフガスのみでは燃焼量が少なく、充分な蓄熱量が得られない、あるいは蓄熱が短時間に行なえない等の場合には、外部供給管113が供給配管112と連通するようにバルブV9が切替えられ、燃焼用のガソリンや水素ガス等を外部から追加的に補給することができる。また、バルブV9の切替えにより、エア供給管116からアノードオフガス中の水素等を燃焼させるための支燃エアの加給も可能である。
At this time, if the anode off gas alone is small in the amount of combustion and a sufficient heat storage amount cannot be obtained, or if heat storage cannot be performed in a short time, the valve V9 is connected so that the
噴射装置18からPSR型改質器11に支燃エアおよびアノードオフガスが供給されると、触媒12上で噴射された水素等を燃焼させ、燃焼加熱による蓄熱量、すなわち触媒温度を回復させることができる。このとき、PSR型改質器11のアノードオフガス等が供給される側の触媒非担持部12Aは、上記同様に再生反応が開始される前の改質反応で昇温しており、再生反応時に供給されたアノードオフガス等との熱交換で熱が再び触媒12に戻されて有効に熱利用可能なようになっている。
When combustion-supporting air and anode off-gas are supplied from the
上記のように、改質反応させているPSR型改質器10の蓄熱量、すなわち触媒温度が低下し、水素の改質生成効率が低下したような場合には、PSR型改質器10での改質反応を再生反応に切替えると共に、PSR型改質器11での再生反応を改質反応に切替える。
As described above, when the heat storage amount of the
具体的には、バルブV2およびバルブV7を開きバルブV1およびバルブV6閉じることにより、燃料供給管101と供給配管103、排出配管108と水素供給管111をそれぞれ連通させると共に、バルブV8およびバルブV4を開きバルブV5およびバルブV3を閉じることにより、供給配管110とエア供給管120、排出配管105および排出管106をそれぞれ連通させる。このとき、ガソリンおよび水蒸気の混合ガス(改質用原料)は、PSR型改質器11に供給され、アノードオフガスは再生反応させるための燃焼用燃料として、支燃エアと共にPSR型改質器10に供給されて各々の反応に供される。
Specifically, by opening the valve V2 and the valve V7 and closing the valve V1 and the valve V6, the
上記のように切替えた場合、PSR型改質器11では、改質反応切替前の再生反応で蓄熱量が増大した状態にあり、供給配管103を挿通して噴射装置17からガソリンおよび水蒸気の混合ガス(改質用原料)が噴射されて触媒12上に供給されると、触媒12でガソリンの水蒸気改質が行なわれて水素リッチな合成ガス(水素リッチガス)が生成される。改質反応の反応温度については既述と同様である。そして、PSR型改質器11で改質生成された水素リッチガスは、PSR型改質器11の排出配管108が接続する側の触媒非担持部12Aで予め冷却された後、排出配管108および水素供給管111を挿通して水素分離膜型燃料電池200のアノード側に供給され、エア供給管114から供給されるエアと共に発電運転(電池反応)に供される。供給された水素リッチガスが消費され、アノードオフガスとして供給配管112に排出された後、このアノードオフガスは、供給配管112からエア供給管120および供給配管110を経由して支燃エアと共に噴射装置16から噴射される。
In the case of switching as described above, the
このとき、前記同様に、アノードオフガスのみでは燃焼量が少なく、充分な蓄熱量が得られない、あるいは蓄熱が短時間に行なえない等の場合には、バルブV9の切替えにより燃焼用のガソリンや水素ガス等を外部から追加的に補給できる。同様に、エア供給管116から支燃エアが加給される。
At this time, similarly to the above, when the anode off gas alone is small in combustion amount and a sufficient heat storage amount cannot be obtained or heat storage cannot be performed in a short time, the gasoline V or hydrogen for combustion is switched by switching the valve V9. Gas can be additionally supplied from the outside. Similarly, combustion support air is supplied from the
噴射装置16からPSR型改質器10に支燃エアおよびアノードオフガスが供給され、触媒12上で供給された水素等を燃焼させることにより再度、蓄熱量(すなわち触媒温度)を回復させることができる。このとき、PSR型改質器10のアノードオフガス等が供給される側の触媒非担持部12Aは、上記同様に再生反応が開始される前の改質反応で昇温した状態にあり、供給されたアノードオフガス等と熱交換されることで熱は再び触媒12に戻され、有効に利用される。そして、PSR型改質器10での再生反応により生じた燃焼オフガスは、排出配管105を挿通して排出される。
Combustion air and anode off-gas are supplied from the
本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池として、水素透過性金属を用いた緻密な水素透過膜(水素透過性金属層)の少なくとも片側に電解質層が積層された電解質膜を備えた水素分離膜型燃料電池(プロトン伝導性の固体酸化物型、または固体高分子型のいずれであってもよい。)の中から目的等に応じて選択することができる。 In the fuel cell system of the present invention, as a fuel cell, a hydrogen separation membrane provided with an electrolyte membrane in which an electrolyte layer is laminated on at least one side of a dense hydrogen permeable membrane (hydrogen permeable metal layer) using a hydrogen permeable metal. Type fuel cells (which may be either proton-conductive solid oxide type or solid polymer type) can be selected according to the purpose.
例えば、(1) 水素透過性の金属と該金属の少なくとも片側に成膜された無機電解質層(特にプロトン伝導性のセラミックス)とを有する電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられた水素極および該水素極に発電用燃料を供給する燃料供給部と、電解質膜の他方の面に設けられた酸素極および該酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部とで構成された水素分離膜型燃料電池、または(2) プロトン伝導性の電解質層と該電解質層を両側から挟む水素透過性金属とを有する電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられた水素極および該水素極に発電用燃料を供給する燃料供給部と、電解質膜の他方の面に設けられた酸素極および該酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部とで構成された固体高分子型の水素分離膜型燃料電池、等を好適に用いることができる。 For example, (1) an electrolyte membrane having a hydrogen permeable metal and an inorganic electrolyte layer (especially proton conductive ceramics) formed on at least one side of the metal, and hydrogen provided on one surface of the electrolyte membrane A fuel supply part for supplying power generation fuel to the electrode and the hydrogen electrode, an oxygen electrode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and an oxidant gas supply part for supplying an oxidant gas to the oxygen electrode Hydrogen separation membrane fuel cell, or (2) an electrolyte membrane having a proton conductive electrolyte layer and a hydrogen permeable metal sandwiching the electrolyte layer from both sides, a hydrogen electrode provided on one surface of the electrolyte membrane, and the A solid polymer comprising a fuel supply unit for supplying power generation fuel to the hydrogen electrode, an oxygen electrode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and an oxidant gas supply unit for supplying an oxidant gas to the oxygen electrode Type hydrogen separation membrane fuel cell, etc. It can be used to apply.
図5〜図6に本発明の燃料電池システムを構成する水素分離膜型燃料電池の他の具体例を挙げる。なお、他の具体例についての詳細については特開2004−146337号公報の記載を参照することができる。 5 to 6 show other specific examples of the hydrogen separation membrane fuel cell constituting the fuel cell system of the present invention. For details about other specific examples, reference can be made to the description in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-146337.
図5は、バナジウム(V)で形成された緻密な基材66を含む6層構造の電池膜61と、電池膜61を狭持する酸素極(O2極)62および水素極(H2極)63とで構成され、金属拡散抑制層および反応抑制層を備えた水素分離膜型燃料電池60を示したものである。電池膜61は、基材66の水素極(アノード)63側の面に該面側から順に緻密体の金属拡散抑制層67とパラジウム(Pd)層68とを備え、基材66の酸素極(カソード)62側の面に該面側から順に緻密体の反応抑制層(例えばプロトン伝導体や混合伝導体、絶縁体の層)65と、固体酸化物からなる薄層の電解質層(例えばペロブスカイトの1つである金属酸化物SrCeO3層など)64と、カソード層69を備えている。Pd層68とカソード層69とが集電板として機能する。反応抑制層65は、電解質層64中の酸素原子と基材(V)66との反応を抑制する機能を担うものである。なお、酸素極または水素極と電解質膜との間には上記同様に、各々エア流路59a、燃料流路59bが形成されている。金属拡散抑制層および反応抑制層の詳細については既述の通りである。
FIG. 5 shows a
図6は、水素透過性金属を用いた緻密な水素透過層を有する電池膜71と、電池膜71を狭持する酸素極(O2極)72および水素極(H2極)73とで構成された固体高分子型の水素分離膜型燃料電池70を示したものである。電池膜71は、例えば、ナフィオン(登録商標)膜などの固体高分子膜からなる電解質層76の両側の面を、水素透過性の緻密な金属層で挟んだ多層構造となっており、電解質層76の水素極(アノード)側の面にパラジウム(Pd)層(緻密層)77を備え、電解質層76の酸素極(カソード)側の面に該面側から順に、基材となるバナジウム−ニッケル合金(V−Ni)層(緻密層)75とPd層(緻密層)74とを備えている。なお、酸素極または水素極と電池膜71との間には上記同様に、各々エア流路59a、燃料流路59bが形成されている。本燃料電池においてもまた、V−Ni層75とPd層74との間には金属拡散抑制層を設けることができ、V−Ni層75またはPd層77と電解質層76との間には反応抑制層を設けることができる。
FIG. 6 includes a
図6に示す固体高分子型の燃料電池では、含水電解質層を挟むようにして水素透過性金属を用いた水素透過層が形成された構成とすることにより、高温での電解質層の水分蒸発および膜抵抗増大の抑制が可能で、一般に低温型の固体高分子型燃料電池(PEFC)の作動温度を300〜600℃の温度域に向上させることができる。これにより、燃料電池から排出されたカソードオフガスを直接、改質反応させるPSR型改質器に供給する本発明の燃料電池システムの構成に好適である。 In the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 6, by forming a hydrogen permeable layer using a hydrogen permeable metal so as to sandwich the water-containing electrolyte layer, moisture evaporation and membrane resistance of the electrolyte layer at a high temperature are achieved. It is possible to suppress the increase, and in general, the operating temperature of a low-temperature polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be improved to a temperature range of 300 to 600 ° C. This is suitable for the configuration of the fuel cell system of the present invention in which the cathode off-gas discharged from the fuel cell is directly supplied to the PSR reformer that undergoes the reforming reaction.
上記の実施形態では、改質用原料としてガソリン(又はガソリンおよび水蒸気の混合ガス)を使用した場合を説明したが、ガソリン以外の他の炭化水素燃料を使用した場合も同様である。 In the above embodiment, the case where gasoline (or a mixed gas of gasoline and steam) is used as the reforming raw material has been described. However, the same applies to the case where a hydrocarbon fuel other than gasoline is used.
上記では、燃料電池システムを2つのPSR型改質器10,11で構成した形態を中心に説明したが、3つ以上のPSR型改質器を設けて構成してもよい。また、対をなす2つのPSR型改質器で構成するようにしたが、3以上のPSR型改質器が設けられた形態で構成されてもよい。
In the above description, the fuel cell system is mainly described in the form of the two
10,11…PSR型改質器
12…触媒(触媒担持部)
19…温度センサ
30,60,70,200…水素分離膜型燃料電池
100…制御装置
V1〜V9…バルブ
10, 11
DESCRIPTION OF
Claims (6)
起動時に、前記少なくとも2基の改質反応器より選択された蓄熱量の最も多い改質反応器の温度条件が改質反応可能な状態に到達しているか否かを判定する判定手段と、
を備えた水素生成装置。 When the reforming raw material is supplied, the reforming raw material is reformed on the heated catalyst, and when the exothermic fuel is supplied, the exothermic fuel is exothermicly reacted. At least two reforming reactors for heating
Determining means for determining whether the temperature condition of the reforming reactor having the largest amount of heat storage selected from the at least two reforming reactors has reached a state in which the reforming reaction is possible at the time of start-up;
A hydrogen generation apparatus comprising:
前記判定手段により蓄熱量の最も多い改質反応器の温度条件が改質反応可能な状態に到達していると判定されたときに、前記蓄熱量の最も多い改質反応器に前記改質用原料が供給されるように、前記切替手段により前記供給流路を切替える切替制御手段と、
を更に備えた請求項1に記載の水素生成装置。 Switching means for switching the reforming raw material supply flow path and the heat generating fuel supply flow path to the reforming reactor;
When it is determined by the determination means that the temperature condition of the reforming reactor having the largest amount of heat storage has reached a state where a reforming reaction is possible, the reforming reactor having the largest amount of heat storage is used for the reforming Switching control means for switching the supply flow path by the switching means so that the raw material is supplied;
The hydrogen generator according to claim 1, further comprising:
前記切替制御手段は、前記検出手段により検出された前記温度に基づいて選択された前記蓄熱量の最も多い改質反応器に前記供給がされるように、前記供給流路を切替える請求項2又は3に記載の水素生成装置。 It further comprises detection means for detecting the temperature of the catalyst,
The switching control means switches the supply flow path so that the supply is performed to the reforming reactor having the largest amount of heat storage selected based on the temperature detected by the detection means. 4. The hydrogen generator according to 3.
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