JP2008207990A - Co converting apparatus and method, and fuel cell system and method for controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化水素原料を含有する原料ガスを改質処理して生成された水素ガス(H2)を主成分とする改質ガス中に残留する一酸化炭素(CO)を、銅系のCO変成触媒で二酸化炭素(CO2)に変成するCO変成装置、その方法、ならびに燃料電池システムおよびその運転制御方法に関する。 In the present invention, carbon monoxide (CO) remaining in a reformed gas mainly composed of hydrogen gas (H 2 ) produced by reforming a raw material gas containing a hydrocarbon raw material is converted into a copper-based material. The present invention relates to a CO conversion device that converts carbon dioxide (CO 2 ) with a CO conversion catalyst, a method thereof, a fuel cell system, and an operation control method thereof.
従来、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池へ供給して発電させる燃料電池システムが知られている。
これら燃料電池システムとして、システムの起動・停止に際して、改質ガスなどをパージする構成が知られている(例えば、特許文献1ないし特許文献6参照)。
Conventionally, a fuel cell system that supplies hydrogen gas as a fuel gas to a fuel cell to generate electric power is known.
As these fuel cell systems, a configuration in which reformed gas or the like is purged when the system is started / stopped is known (see, for example, Patent Documents 1 to 6).
特許文献1に記載のものは、改質器系内に水蒸気を流通させて可燃性ガスをパージした後、改質器中の改質触媒の温度が改質触媒の酸化温度である350〜400℃以下になった時点で、改質器に空気を導入して改質器系内の水蒸気をパージする構成が採られている。
しかしながら、この特許文献1に記載のような空気をパージする構成では、350℃以下の温度でも空気中の酸素により改質触媒が徐々に失活するおそれがあり、改質特性が低下して、運転効率が低下するおそれがある。
Patent Document 1 discloses that 350 to 400 in which the temperature of the reforming catalyst in the reformer is the oxidation temperature of the reforming catalyst after steam is circulated in the reformer system and the combustible gas is purged. A configuration is adopted in which air is introduced into the reformer and the water vapor in the reformer system is purged when the temperature falls to or below.
However, in the configuration in which air is purged as described in Patent Document 1, the reforming catalyst may be gradually deactivated by oxygen in the air even at a temperature of 350 ° C. or lower, and the reforming characteristics are reduced. Operation efficiency may be reduced.
特許文献2に記載のものは、メタンなどの炭化水素ガスやメタノールなどの液体炭化水素の蒸気などの原燃料に水蒸気を混合した混合改質燃料を、バーナの燃焼により加熱された改質器の改質触媒層へ供給して改質する運転を停止する際、改質器のバーナの燃焼による改質触媒層への加熱量を、メタンなどの炭化水素ガスやメタノールなどの液体炭化水素の蒸気などの原燃料の改質反応時における理論熱量より減少させて改質触媒層を降温させる。そして、改質触媒層が原燃料の熱分解温度よりも降温した後、原燃料に混合する水蒸気の供給を停止し、原燃料のみを改質器およびこの改質器に接続され改質により生成した改質ガス中のCOを除去するCO除去器へ供給し、改質器およびCO除去器内の水分をパージする。起動時は、パージした原燃料を燃焼させて改質触媒層を昇温し、最低位の100℃を超えた際に、通常の原燃料の炭素数換算量(C)に対する水蒸気供給量(S)の比であるS/Cの値が3となる混合改質燃料を供給して改質反応を継続し、発生する改質ガスをバーナで燃焼させて定格の改質運転まで昇温させる構成が採られている。
しかしながら、この特許文献2に記載のような原料でパージする構成では、システム構成が複雑となり、制御も困難となるおそれがある。
However, in the configuration of purging with the raw material as described in
特許文献3に記載のものは、改質部、CO変成部、CO除去部および燃料電池を順次接続し、CO除去部の出口と改質器とを、ポンプと熱交換器とを有したバイパス管を接続する。そして、運転停止時、CO除去部から流出する改質ガスを、ポンプの駆動によりバイパス管を介して改質部へ流入させて循環させる構成が採られている。
しかしながら、この特許文献3に記載のような改質ガスでパージする構成では、再起動時にパージした改質ガスがそのまま排出されることとなり、例えば毎日のように停止させるシステムの場合には、パージに利用され排出される改質ガスの量も多大となり、エネルギ効率の観点から、より効率化が望まれる。さらには、触媒の酸化劣化やコーキングが生じ、活性低下を生じるおそれがある。
The one described in Patent Document 3 sequentially connects a reforming section, a CO conversion section, a CO removal section, and a fuel cell, and has a bypass having a pump and a heat exchanger at the outlet of the CO removal section and the reformer. Connect the tubes. When the operation is stopped, a configuration is adopted in which the reformed gas flowing out from the CO removing unit is circulated by flowing into the reforming unit via a bypass pipe by driving a pump.
However, in the configuration of purging with the reformed gas as described in Patent Document 3, the purged reformed gas is discharged as it is at the time of restart. For example, in the case of a system that is stopped every day, the purge is performed. The amount of the reformed gas that is used and discharged becomes large, and more efficient is desired from the viewpoint of energy efficiency. In addition, the catalyst may be oxidized and coked, leading to a decrease in activity.
特許文献4に記載のものは、運転開始時では、改質器に接続する一酸化炭素除去器の温度が十分に高くなるまで、一酸化炭素が十分に除去されていない水素リッチガスを改質器のバーナで燃焼させて昇温させる。そして、安定した処理ができる温度に一酸化炭素除去装置が加熱された後に、水素リッチガスを燃料電池へ供給して発電させる。運転停止時は、原料が炭化しない温度まで水蒸気とともに原料ガスを供給しつつ、水素リッチガスが発生しないか、空気に曝されても反応しない程度の濃度の水素リッチガスの量が発生する所定温度以下に改質器の温度を低下させる。そして、残留する水素リッチガスを原料ガスで押し出すようにバーナで燃焼させて、所定時間が経過した後に原料ガスを停止し、空気を供給して残留する原料ガスをバーナで燃焼して空気にて置換する構成が採られている。
しかしながら、この特許文献4に記載の構成では、水素リッチガスおよび原料ガスを起動・停止の際に燃焼するので、エネルギ効率の観点から、より効率化が望まれる。また、空気でパージするので、約300℃以下でも空気中の酸素により触媒が失活するおそれがあり、処理特定が低下して運転効率が低下するおそれがある。さらには、触媒のコーキングによる活性低下を生じるおそれもある。
Patent Document 4 describes that at the start of operation, the hydrogen rich gas from which carbon monoxide has not been sufficiently removed is removed until the temperature of the carbon monoxide remover connected to the reformer becomes sufficiently high. The temperature is increased by burning with a burner. Then, after the carbon monoxide removing device is heated to a temperature at which stable treatment can be performed, hydrogen rich gas is supplied to the fuel cell to generate power. When the operation is stopped, the raw material gas is supplied together with the water vapor to a temperature at which the raw material is not carbonized, and the hydrogen rich gas is not generated, or the amount of the hydrogen rich gas having a concentration that does not react even when exposed to the air is below a predetermined temperature. Reduce the reformer temperature. Then, the remaining hydrogen-rich gas is burned with a burner so as to extrude with the source gas, and after a predetermined time has elapsed, the source gas is stopped, air is supplied and the remaining source gas is burned with the burner and replaced with air. The structure to do is taken.
However, in the configuration described in Patent Document 4, since the hydrogen rich gas and the raw material gas are combusted at the time of starting and stopping, more efficiency is desired from the viewpoint of energy efficiency. Further, since the purge is performed with air, the catalyst may be deactivated by oxygen in the air even at about 300 ° C. or lower, and there is a possibility that the processing efficiency is lowered and the operation efficiency is lowered. Furthermore, there is a possibility that the activity is reduced due to coking of the catalyst.
特許文献5に記載のものは、改質器の運転中に改質ガスの一部を改質ガスラインを介して水素吸蔵合金に導き、水素のみを吸収させ、改質器の停止時に水素吸蔵合金から水素を放出させ、水素ガスラインを介して改質器の上流側に水素を供給し、改質器内の残留燃料および水分をパージし、改質器内に水素を封入する構成が採られている。
しかしながら、この特許文献5に記載のような水素ガスでパージする構成では、高価な水素吸蔵合金を用いる特別な構成および運転時・停止時の水素の吸蔵・放出のための圧力制御などの煩雑な制御が必要で、特に家庭用で利用するような場合では、利用の拡大のために小型かつ安価なシステム構成が必要である。
In Patent Document 5, a part of the reformed gas is guided to the hydrogen storage alloy through the reformed gas line during the operation of the reformer to absorb only hydrogen, and the hydrogen storage is performed when the reformer is stopped. A configuration is adopted in which hydrogen is released from the alloy, hydrogen is supplied to the upstream side of the reformer through the hydrogen gas line, residual fuel and moisture in the reformer are purged, and hydrogen is sealed in the reformer. It has been.
However, in the configuration of purging with hydrogen gas as described in Patent Document 5, a special configuration using an expensive hydrogen storage alloy and complicated control such as pressure control for storing and releasing hydrogen during operation and stoppage are required. In the case where control is required, especially when the system is used at home, a small and inexpensive system configuration is required to expand the use.
特許文献6に記載のものは、システムの停止時に、燃焼部および改質部を含む水蒸気改質器に順次連結したCO変成部およびCO除去部のいずれかの出口導管のバルブを閉じ、改質部への原料ガスおよび水の供給を停止する。そして、改質部およびCO変成部が、炭化水素の分解反応が進行せず分解反応に起因して炭素が析出しない所定温度以下になった時点でバルブを開き、システム内に原料ガスを供給して改質ガスをパージする。この後、バルブを閉じ、システム内を原料ガスで満たす構成が採られている。
しかしながら、この特許文献6に記載のような改質ガスでパージする構成では、特許文献3と同様に、再起動時にパージした改質ガスがそのまま排出されることとなり、例えば毎日のように停止させるシステムの場合には、パージに利用され排出される改質ガスの量も多大となり、エネルギ効率の観点から、より効率化が望まれる。
In Patent Document 6, when the system is stopped, the valve of the outlet conduit of one of the CO conversion unit and the CO removal unit sequentially connected to the steam reformer including the combustion unit and the reforming unit is closed, and the reforming is performed. The supply of raw material gas and water to the department is stopped. Then, when the reforming section and the CO conversion section are below a predetermined temperature at which the hydrocarbon decomposition reaction does not proceed and carbon is not deposited due to the decomposition reaction, the valve is opened and the raw material gas is supplied into the system. To purge the reformed gas. Thereafter, the valve is closed and the system is filled with the raw material gas.
However, in the configuration of purging with the reformed gas as described in Patent Document 6, similarly to Patent Document 3, the reformed gas purged at the time of restart is discharged as it is, and is stopped, for example, every day. In the case of the system, the amount of the reformed gas that is used for purge and discharged becomes large, and more efficiency is desired from the viewpoint of energy efficiency.
ところで、改質器で改質処理した後に、燃料電池に影響を与えるCOを、触媒にてCO2に変成して除去する処理が利用されている。この変成では、銅(Cu)系触媒の利用が知られている。
しかしながら、この銅系触媒は、上述した特許文献1ないし特許文献6に記載のような従来の方法での起動・停止時に酸化還元が繰り返されることで、銅の凝集が進行し、CO変成処理の活性が低下するおそれがある。
By the way, after the reforming process by the reformer, CO that affects the fuel cell is converted to CO 2 by a catalyst and removed. In this modification, the use of a copper (Cu) -based catalyst is known.
However, this copper-based catalyst repeats oxidation-reduction at the time of starting and stopping in the conventional methods as described in Patent Document 1 to Patent Document 6 described above, so that copper agglomeration proceeds and CO conversion treatment is performed. Activity may be reduced.
本発明の目的は、このような点に鑑みて、銅系触媒の失活を抑制し、良好に一酸化炭素の変成処理が得られるCO変成装置、その方法、ならびに燃料電池システムおよびその運転制御方法を提供する。 In view of these points, an object of the present invention is to provide a CO conversion device, a method thereof, a fuel cell system, and an operation control thereof, in which the deactivation of a copper-based catalyst is suppressed and a good carbon monoxide conversion treatment is obtained. Provide a method.
上記問題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下のことを見いだし、本発明を完成させた。
具体的には、銅系のCO変成触媒を、250℃で水蒸気雰囲気に水素を供給した水素水蒸気雰囲気に晒した後に、温度を変えずに水蒸気雰囲気に晒して酸化させると、1価の酸化銅(Cu2O)が増加するとともに銅(Cu)が減少する。さらに、温度を変えずに水素水蒸気雰囲気に戻して還元させると、Cuが増加するとともにCu2Oが減少して、CuおよびCu2Oの比率が酸化前の状態に戻る。そして、この還元により生成されたCuは、酸化前と同様に凝集していないことを見いだした。
また、50℃の不活性ガス雰囲気中にあるCO変成触媒を、空気雰囲気中に晒してもCu2OおよびCuの比率は変わらないが、その後、250℃まで昇温させると、酸化されて、Cu2Oが増加するとともにCuが減少し、さらにCu2Oよりも大きい存在比率で2価の酸化銅(CuO)が新たに生成される。さらに、温度を変えずに不活性ガス雰囲気に晒したとしてもCu2O、Cu、および、CuOの比率は変わらないが、その後、温度を変えずに水素雰囲気に晒して還元させると、Cuが増加するとともにCu2OおよびCuOが減少し、CuOがなくなり、かつ、CuおよびCu2Oの比率が酸化前の状態に戻るが、この還元により生成されたCuが酸化前と比べて凝集していることを見いだした。
つまり、250℃で酸化還元が繰り返されたとしてもCuが凝集せず、50℃以上の空気雰囲気中で酸化させてCuOが生成された後に、250℃で還元させるとCuが凝集することを見いだした。
本発明は、このような知見により完成したものである。
In order to solve the above problems, the present inventors have made extensive studies and found the following to complete the present invention.
Specifically, when a copper-based CO conversion catalyst is exposed to a hydrogen-steam atmosphere in which hydrogen is supplied to a steam atmosphere at 250 ° C. and then exposed to the steam atmosphere without changing the temperature, the monovalent copper oxide is oxidized. As (Cu 2 O) increases, copper (Cu) decreases. Further, when returning to the hydrogen water vapor atmosphere without changing the temperature and reducing, Cu increases, Cu 2 O decreases, and the ratio of Cu and Cu 2 O returns to the state before oxidation. And it discovered that Cu produced | generated by this reduction | restoration was not aggregated similarly to before oxidation.
Further, the ratio of Cu 2 O and Cu does not change even when the CO conversion catalyst in the inert gas atmosphere at 50 ° C. is exposed to the air atmosphere, but when it is heated to 250 ° C., it is oxidized, As Cu 2 O increases, Cu decreases, and bivalent copper oxide (CuO) is newly generated at a higher abundance ratio than Cu 2 O. Furthermore, even if it is exposed to an inert gas atmosphere without changing the temperature, the ratio of Cu 2 O, Cu, and CuO does not change, but after that, when exposed to a hydrogen atmosphere without changing the temperature, the Cu is reduced. As it increases, Cu 2 O and CuO decrease, CuO disappears, and the ratio of Cu and Cu 2 O returns to the pre-oxidation state, but the Cu produced by this reduction aggregates compared to before oxidation. I found out.
In other words, even if redox was repeated at 250 ° C., Cu did not aggregate, and after CuO was formed by oxidation in an air atmosphere at 50 ° C. or higher, Cu was aggregated when reduced at 250 ° C. It was.
The present invention has been completed based on such findings.
すなわち、本発明に記載のCO変成装置は、炭化水素原料を含有する原料ガスを改質処理して生成された水素ガス(H2)を主成分とする改質ガスが導入され、前記改質ガス中に残留する一酸化炭素(CO)を二酸化炭素(CO2)に変成する銅系のCO変成触媒が充填されたCO変成装置であって、前記改質ガスを流通可能に前記CO変成触媒が充填された変成容器と、前記変成容器に前記改質ガスを導入して前記COを変成する処理を開始する際に、50℃以下で還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを前記変成容器に導入させる制御装置と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、炭化水素原料を含有する原料ガスを改質処理して生成されたH2を主成分とする改質ガス中に残留するCOをCO2に変成する銅系のCO変成触媒が充填された変成容器でCOを変成する処理を開始する際に、制御装置により、50℃以下で還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを変成容器に導入させる。
このことにより、COを変成する処理の開始時において、50℃以上となったときにCO変成触媒が空気雰囲気に晒されることがないので、新たにCuOが生成されることがなく、50℃以上の温度で還元させた際にCO変成触媒のCuが凝集することがない。したがって、銅の凝集によるCO変成触媒の失活が抑制され、良好な一酸化炭素の変成処理が長期間安定して得られる。
That is, in the CO conversion device according to the present invention, a reformed gas mainly containing hydrogen gas (H 2 ) generated by reforming a raw material gas containing a hydrocarbon raw material is introduced, and the reforming is performed. A CO conversion device filled with a copper-based CO conversion catalyst for converting carbon monoxide (CO) remaining in a gas into carbon dioxide (CO 2 ), wherein the CO conversion catalyst is capable of flowing the reformed gas. And at least one of a reducing gas and an inert gas at 50 ° C. or lower when starting the process of introducing the reformed gas into the shift container and converting the CO into the shift container And a control device for introducing gas into the shift vessel.
In the present invention, a copper-based CO conversion catalyst for converting CO remaining in a reformed gas mainly composed of H 2 produced by reforming a raw material gas containing a hydrocarbon raw material into CO 2 is filled. When starting the process of transforming CO in the transformed container, the controller introduces at least one of the reducing gas and the inert gas into the transformation container at 50 ° C. or lower.
As a result, at the start of the CO modification treatment, the CO conversion catalyst is not exposed to the air atmosphere when the temperature is 50 ° C. or higher, so that no new CuO is generated, and 50 ° C. or higher. The Cu of the CO shift catalyst does not agglomerate when it is reduced at the above temperature. Therefore, the deactivation of the CO shift catalyst due to copper aggregation is suppressed, and a good carbon monoxide shift treatment can be stably obtained for a long period of time.
そして、本発明では、請求項1に記載のCO変成装置であって、前記制御装置は、前記COを変成する処理を開始する前に、前記少なくともいずれか一方のガスを前記変成容器に導入させる構成が好ましい。
この発明では、制御装置により、COの変成処理開始前に、上述した少なくともいずれか一方のガスを変成容器に導入させる。
このことにより、例えば変成処理開始の操作を認識した後に、変成容器の温度を検出する制御をすることなくガスを導入するので、より簡単な制御で良好な一酸化炭素の変成処理が長期間安定して得られる。
And in this invention, it is CO conversion apparatus of Claim 1, Comprising: The said control apparatus introduces the said at least any one gas into the said conversion container, before starting the process which converts the said CO. A configuration is preferred.
In the present invention, the control device introduces at least one of the aforementioned gases into the shift container before the start of the CO shift process.
As a result, for example, after recognizing the start of the transformation process, the gas is introduced without performing control to detect the temperature of the transformation container, so that a good carbon monoxide transformation process is stable for a long time with simpler control. Is obtained.
また、本発明では、請求項1または請求項2に記載のCO変成装置であって、前記制御装置は、前記改質ガスを導入して前記COを変成する処理を停止する際に、パージガスを前記変成容器に導入して充填させる構成が好ましい。
この発明によれば、制御装置により、改質ガスを導入してCOを変成する処理を停止する際に、パージガスを変成容器に導入して充填させる。
このことにより、パージガスにより改質ガスや原料ガス由来の水蒸気などがパージされ、COを変成する処理を開始する際にCO変成触媒が酸化されて改質ガスが流入されて急激に還元されることによる銅が凝集することを防止でき、効率よく良好な活性が長期間安定して得られる。
Further, in the present invention, the CO conversion device according to
According to the present invention, when the control device stops the process of introducing the reformed gas and converting CO, the purge gas is introduced into the shift vessel and filled.
As a result, the reformed gas or the water vapor derived from the raw material gas is purged by the purge gas, and the CO shift catalyst is oxidized and the reformed gas is introduced and rapidly reduced when starting the CO shift process. It is possible to prevent the copper from agglomerating and to efficiently obtain a good activity stably for a long period of time.
さらに、本発明では、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のCO変成装置であって、前記制御装置は、前記還元ガスとして前記改質ガスを充填させる構成が好ましい。
この発明によれば、還元ガスとして改質ガスを充填させる。
このことにより、改質処理により得られた改質ガスが利用されるので、処理系外から別途パージのためのガスを利用する必要がなく、効率的なCOの変成処理の停止および開始が得られる。
Furthermore, in this invention, it is a CO conversion apparatus in any one of Claim 1 thru | or 3, Comprising: The said control apparatus has the structure filled with the said reformed gas as said reducing gas.
According to this invention, the reformed gas is filled as the reducing gas.
As a result, the reformed gas obtained by the reforming process is used, so there is no need to separately use a purging gas from the outside of the processing system, and efficient CO conversion treatment can be stopped and started. It is done.
そして、本発明では、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のCO変成装置であって、前記制御装置は、前記少なくともいずれか一方のガスとしてドライガスを充填させる構成が好ましい。
この発明では、制御装置により、パージガスとしてドライガス、すなわち水蒸気などの水分を含まないガスを供給する。
このことにより、例えばCOの変成処理の停止時に水分が凝集し変成処理の開始の際などに酸化されたCO変成触媒の銅が急激に還元されることにより銅が凝集することを防止でき、良好な活性が長期間安定して得られる。
And in this invention, it is a CO conversion apparatus in any one of Claim 1 thru | or 4, Comprising: The said control apparatus has the structure filled with dry gas as said at least any one gas.
In the present invention, the control device supplies a dry gas, that is, a gas not containing moisture such as water vapor, as the purge gas.
As a result, for example, when water is agglomerated at the time of stopping the CO conversion treatment and the copper of the CO conversion catalyst oxidized at the start of the conversion treatment is rapidly reduced, the copper can be prevented from agglomerating. Activity can be obtained stably over a long period of time.
本発明のCO変成方法は、炭化水素原料を含有する原料ガスを改質処理して生成された水素ガス(H2)を主成分とする改質ガス中に残留する一酸化炭素(CO)を、銅系のCO変成触媒により二酸化炭素(CO2)に変成するCO変成方法であって、
前記改質ガス中のCOを変成する処理を開始する際に、50℃以下で還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方を前記CO変成触媒に流通させることを特徴とする。
この発明では、炭化水素原料を含有する原料ガスを改質処理して生成されたH2を主成分とする改質ガス中に残留するCOを、銅系のCO変成触媒でCO2に変成する処理を開始する際に、50℃以下で還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスをCO変成触媒に流通させる。
このことにより、上述したように、銅の凝集によるCO変成触媒の失活が抑制され、良好な一酸化炭素の変成処理が長期間安定して得られる。
In the CO conversion method of the present invention, carbon monoxide (CO) remaining in a reformed gas mainly composed of hydrogen gas (H 2 ) generated by reforming a raw material gas containing a hydrocarbon raw material is converted. , A CO conversion method for converting to carbon dioxide (CO 2 ) with a copper-based CO conversion catalyst,
At the start of the process of converting CO in the reformed gas, at least one of a reducing gas and an inert gas is allowed to flow through the CO conversion catalyst at 50 ° C. or lower.
In the present invention, to denature CO remaining the H 2 produced a raw material gas containing hydrocarbon feedstock in reforming processes in the reformed gas mainly composed, in CO 2 in the CO shifting catalyst of the copper-based When starting the treatment, at least one of a reducing gas and an inert gas is allowed to flow through the CO conversion catalyst at 50 ° C. or lower.
Thus, as described above, the deactivation of the CO shift catalyst due to the aggregation of copper is suppressed, and a good carbon monoxide shift treatment can be stably obtained for a long period of time.
本発明に記載の燃料電池システムは、炭化水素原料を含有する原料ガスを水素ガス(H2)を主成分とする改質ガスに改質する改質手段と、この改質手段に接続され前記改質ガス中に残留する一酸化炭素(CO)を二酸化炭素(CO2)に変成する請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のCO変成装置と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、前記改質手段で生成され前記CO変成装置でCOを変成する処理が実施された改質ガス、および前記酸素含有気体供給手段によって供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、前記CO変成装置の制御装置により、前記改質手段および前記CO変成装置へ還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを導入させる導入ガス供給手段と、を具備したことを特徴とする。
また、本発明に記載の燃料電池システムは、炭化水素原料を含有する原料ガスを水素ガス(H2)を主成分とする改質ガスに改質する改質手段と、この改質手段に接続され前記改質ガス中に残留する一酸化炭素(CO)を二酸化炭素(CO2)に変成するCO変成触媒が前記改質ガスを流通可能に充填された変成容器と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、前記改質手段および前記CO変成装置へ還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを導入する導入ガス供給手段と、前記変成容器に前記改質ガスを導入して前記COを変成する処理を開始する際に、50℃以下で前記導入ガス供給手段により前記少なくともいずれか一方のガスを前記変成容器に導入させる制御装置と、を具備したことを特徴とする。
これらの発明では、制御装置により、水素ガス(H2)を主成分とする改質ガス中に残留するCOをCO2に変成するCO変成触媒が充填された変成容器に、50℃以下で還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを導入させる。
このことにより、上述したように、銅の凝集によるCO変成触媒の失活が抑制され、良好な一酸化炭素の変成処理が長期間安定して得られ、改質処理の停止・開始と連動して制御可能となり、効率的で容易な運転制御が得られる。
The fuel cell system according to the present invention includes a reforming means for reforming a raw material gas containing a hydrocarbon raw material into a reformed gas containing hydrogen gas (H 2 ) as a main component, and connected to the reforming means. 6. The CO conversion apparatus according to claim 1, which converts carbon monoxide (CO) remaining in the reformed gas into carbon dioxide (CO 2 ), and an oxygen-containing gas for supplying an oxygen-containing gas. Electricity is generated using a supply means, a reformed gas generated by the reforming means and subjected to a process for converting CO by the CO converter, and the oxygen-containing gas supplied by the oxygen-containing gas supply means A fuel cell; and an introduction gas supply unit configured to introduce at least one of a reducing gas and an inert gas into the reforming unit and the CO conversion device by the control device of the CO conversion device. Characterized in that was.
The fuel cell system according to the present invention includes a reforming means for reforming a raw material gas containing a hydrocarbon raw material into a reformed gas containing hydrogen gas (H 2 ) as a main component, and is connected to the reforming means. A CO conversion catalyst that converts carbon monoxide (CO) remaining in the reformed gas into carbon dioxide (CO 2 ) is supplied with a shift container filled with the reformed gas so that it can flow, and an oxygen-containing gas is supplied. An oxygen-containing gas supply means, an introduction gas supply means for introducing at least one of a reducing gas and an inert gas into the reforming means and the CO conversion device, and the reformed gas in the shift vessel And a control device for introducing at least one of the gases into the transformation container by the introduction gas supply means at 50 ° C. or lower when starting the treatment to introduce and transform the CO. You .
In these inventions, the control device reduces the reduction gas at 50 ° C. or lower into a shift vessel filled with a CO shift catalyst that converts CO remaining in the reformed gas mainly composed of hydrogen gas (H 2 ) into CO 2. At least one of a gas and an inert gas is introduced.
As a result, the deactivation of the CO shift catalyst due to copper aggregation is suppressed as described above, and a good carbon monoxide shift treatment can be stably obtained over a long period of time, in conjunction with the stop / start of the reforming treatment. Therefore, efficient and easy operation control can be obtained.
また、本発明では、請求項7または請求項8に記載の燃料電池システムであって、前記炭化水素原料に水蒸気を混合して生成した前記原料ガスを改質手段へ供給する原料ガス供給手段を具備し、前記導入ガス供給手段は、前記改質手段、前記CO変成装置および前記燃料電池のうちの少なくともいずれか1つから流出する流出物を気液分離して得られた気体を前記少なくともいずれか一方のガスとして供給する循環手段を備えた構成が好ましい。
この発明では、導入ガス供給手段の循環手段により、原料ガス供給手段から炭化水素原料に水蒸気を混合して生成した原料ガスが供給されて改質ガスを生成する改質手段、この改質手段で生成した改質ガス中のCOを変成するCO変成装置、およびこのCO変成装置でCOが変成された改質ガスを利用して発電する燃料電池のうち、少なくともいずれか1つから流出する流出物を気液分離して得られた気体を、上述の少なくともいずれか一方のガスとして改質手段およびCO変性装置へ供給する。
このことにより、運転開始・停止時に、新たに上述の少なくともいずれか一方のガスを供給する必要がなく、そのガスが再利用され、供給したガスを返送させる簡単な構成で、CO変成触媒の酸化還元の繰り返しが抑制されるとともに、原料ガス由来の流出物に混入し返送される水蒸気の結露にて触媒が酸化して活性が低下するなどを防止でき、長期間安定した発電が得られる。
Further, in the present invention, the fuel cell system according to claim 7 or 8, further comprising a raw material gas supply means for supplying the raw material gas generated by mixing the hydrocarbon raw material with water vapor to the reforming means. And the introduction gas supply means includes at least any gas obtained by gas-liquid separation of an effluent flowing out from at least one of the reforming means, the CO conversion device, and the fuel cell. A configuration including a circulation means for supplying the gas as one of the gases is preferable.
In this invention, the reforming means for generating the reformed gas by supplying the raw material gas generated by mixing the water vapor to the hydrocarbon raw material from the raw material gas supplying means by the circulation means of the introduction gas supply means, Outflow that flows out from at least one of a CO conversion device that converts CO in the generated reformed gas, and a fuel cell that generates power using the reformed gas in which CO is converted by the CO conversion device The gas obtained by gas-liquid separation is supplied to the reforming means and the CO denaturing apparatus as at least one of the above-mentioned gases.
As a result, there is no need to supply at least one of the above-mentioned gases at the start / stop of the operation, and the gas is reused and the supplied gas is returned in a simple configuration. It is possible to prevent the reduction of the activity due to the oxidation of the catalyst due to the dew condensation of the water vapor mixed and returned to the effluent derived from the raw material gas and to reduce the activity, and the long-term stable power generation is obtained.
本発明の燃料電池システムの運転制御方法は、炭化水素原料を含有する原料ガスを改質手段により水素ガス(H2)を主成分とする改質ガスに改質し、この改質ガス中に残留する一酸化炭素(CO)をCO変成装置に充填された銅系のCO変成触媒により二酸化炭素(CO2)に変成した後、燃料電池へ供給して発電させる燃料電池システムにおける運転状態を制御する燃料電池システムの運転制御方法であって、前記原料ガスを供給して前記燃料電池で発電させる際に、50℃以下で還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを前記CO変成触媒に流通させることを特徴とする。
この発明では、炭化水素原料を含有する原料ガスを改質手段によりH2を主成分とする改質ガスに改質し、この改質ガス中に残留するCOを銅系のCO変成触媒によりCO2に変成した後、燃料電池へ供給して発電させる燃料電池システムで、原料ガスを供給して燃料電池で発電させた後に発電を開始する際に、50℃以下で還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスをCO変成触媒に流通させる。
このことにより、銅の凝集によるCO変成触媒の失活が抑制され、良好な一酸化炭素の変成処理が長期間安定して得られ、改質処理の停止・開始と連動して制御することも容易に可能で、連動した制御により、より効率的で容易な運転制御が得られる。
In the operation control method for a fuel cell system of the present invention, a raw material gas containing a hydrocarbon raw material is reformed by a reforming means into a reformed gas containing hydrogen gas (H 2 ) as a main component. The remaining carbon monoxide (CO) is converted to carbon dioxide (CO 2 ) by a copper-based CO conversion catalyst packed in a CO conversion device, and then supplied to the fuel cell to control the operating state of the fuel cell system that generates power. An operation control method for a fuel cell system, wherein when the raw material gas is supplied and power is generated by the fuel cell, at least one of a reducing gas and an inert gas is converted to the CO at 50 ° C. or lower. It is made to distribute | circulate to a shift catalyst.
In this invention, a raw material gas containing a hydrocarbon raw material is reformed by a reforming means into a reformed gas containing H 2 as a main component, and CO remaining in the reformed gas is converted into CO by a copper-based CO shift catalyst. In the fuel cell system that is transformed into 2 and then supplied to the fuel cell to generate power, when starting the power generation after supplying the raw material gas and generating power in the fuel cell, the reducing gas and inert gas At least one of the gases is passed through the CO shift catalyst.
As a result, the deactivation of the CO conversion catalyst due to copper aggregation is suppressed, a good carbon monoxide conversion treatment can be stably obtained for a long period of time, and it can be controlled in conjunction with the stop / start of the reforming treatment. Easily possible and linked control provides more efficient and easier operation control.
また、本発明では、請求項10に記載の燃料電池システムの運転制御方法であって、前記原料ガスは、前記炭化水素原料に水蒸気が混合されて生成されたものであり、前記燃料電池での発電を停止する際に、前記炭化水素原料の供給を停止して前記水蒸気を前記改質手段および前記CO変成装置へ供給して冷却される冷却工程と、この冷却工程の後に前記水蒸気の供給を停止してパージガスを前記改質手段および前記CO変成装置に供給して充填するパージ工程と、を実施する構成が好ましい。
この発明では、燃料電池での発電を停止する際に、炭化水素原料の供給を停止して炭化水素原料との混合により原料ガスを生成する水蒸気を改質手段およびCO変成装置へ供給して冷却させる冷却工程を実施する。冷却工程である程度冷却、例えば水蒸気が結露するなどの不都合が生じない温度や、CO変成触媒の酸化する速度が低下する250℃以下の温度までCO変成触媒を冷却した後、水蒸気の供給を停止し、パージガスを改質手段およびCO変成装置へ供給して充填するパージ工程を実施する。
このことにより、水蒸気の供給により改質手段やCO変成装置のCO変成触媒の迅速な冷却が得られ、またある程度冷却して水蒸気が水として析出する前となるなどの所定時間経過後にパージガスを再供給し、水蒸気の残留により水として析出して触媒の活性が低下するなどの不都合を防止することができ、迅速で効率よく稼働停止ができる。さらには、再起動する際に、水蒸気や結露による水が残留しないので、昇温時にCO変成触媒の銅が凝集して活性が低下するなどの不都合も防止でき、長期間安定した処理が得られる。また、炭化水素原料が残留することを防止でき、余熱にて残留する炭化水素原料が炭化して触媒活性の低下や閉塞などの不都合を防止できる。
Further, in the present invention, the fuel cell system operation control method according to
In this invention, when power generation in the fuel cell is stopped, the supply of the hydrocarbon raw material is stopped, and the steam that generates the raw material gas by mixing with the hydrocarbon raw material is supplied to the reforming means and the CO conversion device for cooling. A cooling step is performed. Cooling to some extent in the cooling process, for example, after the CO conversion catalyst is cooled to a temperature at which the inconvenience such as condensation of water vapor does not occur or the temperature at which the CO conversion catalyst oxidizes decreases to 250 ° C. or lower, the supply of water vapor is stopped. Then, a purge process is performed in which the purge gas is supplied to the reforming means and the CO conversion device and filled.
This allows rapid cooling of the CO conversion catalyst of the reforming means and the CO conversion device by supplying the steam, and the purge gas is restarted after a predetermined time elapses, for example, before the steam is precipitated as water by cooling to some extent. It is possible to prevent problems such as supply and precipitation as water due to residual water vapor, resulting in a decrease in the activity of the catalyst, and quick and efficient shutdown. Furthermore, since water due to water vapor or condensation does not remain at the time of restarting, it is possible to prevent inconveniences such as agglomeration of copper of the CO shift catalyst and a decrease in activity at the time of temperature rise, and a long-term stable treatment can be obtained. . In addition, the hydrocarbon raw material can be prevented from remaining, and the hydrocarbon raw material remaining due to residual heat can be carbonized to prevent inconveniences such as a decrease in catalyst activity and blockage.
以下、本発明の燃料電池システムに係る一実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態では、炭化水素原料として灯油を利用する燃料電池システムの構成を例示するが、例えば灯油に限らず、軽油やナフサなどの各種液体燃料の他、例えば都市ガスやLPG(Liquefied Petroleum Gas)であるプロパンガスなどの気体燃料も対象とする各種燃料電池システムに利用できる。さらに、燃料電池に供給する燃料ガスを製造する製造装置などに適用できる。
図1は、本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
Hereinafter, an embodiment according to the fuel cell system of the present invention will be described.
In this embodiment, the configuration of a fuel cell system that uses kerosene as a hydrocarbon raw material is exemplified. However, the fuel cell system is not limited to kerosene, for example, various liquid fuels such as light oil and naphtha, for example, city gas or LPG Petroleum Gas) can be used in various fuel cell systems that also target gaseous fuel such as propane gas. Furthermore, the present invention can be applied to a manufacturing apparatus that manufactures fuel gas supplied to a fuel cell.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system in the present embodiment.
〔燃料電池システムの構成〕
図1において、100は、燃料電池システムで、この燃料電池システム100は、液体燃料を原料として水素を主成分とする燃料ガスに改質し、燃料電池170により発電させるシステムである。
この燃料電池システム100は、液体燃料供給手段110と、脱硫手段120と、気化手段130と、改質ユニット140と、酸素含有気体供給手段150と、燃料電池170と、導入ガス供給手段としても機能するパージガス供給手段180と、導入ガス供給手段を構成する循環手段190と、などを備えている。そして、改質ユニット140の上流側を構成する液体燃料供給手段110、脱硫手段120および気化手段130が本発明の原料ガス供給手段を構成する。
[Configuration of fuel cell system]
In FIG. 1,
This
液体燃料供給手段110は、液体燃料貯溜タンク111と、液体燃料供給経路112と、を備えている。
液体燃料貯溜タンク111は、例えば灯油などの液体燃料111Aを流出可能に貯溜する。ここで、液体燃料111Aとしては、灯油に限らず、例えば軽油やナフサなど、各種液体燃料が利用できる。
液体燃料供給経路112は、液体燃料貯溜タンク111に接続され、液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aを流通させる。この液体燃料供給経路112は、液体燃料ポンプ112Aおよび燃料供給バルブ112Bを有し、一端が液体燃料貯溜タンク111に接続され他端が脱硫手段120に接続された燃料供給管112Cを備えている。そして、液体燃料供給経路112は、液体燃料ポンプ112Aの駆動により液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aを脱硫手段120へ流通させる。
なお、液体燃料供給手段110としては、液体燃料貯溜タンク111を備えた構成に限られるものではなく、例えば、別途設けられた液体燃料貯溜タンク111に接続されこの液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aを流通させる液体燃料供給経路112のみを備えた構成としてもよい。
The liquid
The liquid
The liquid
The liquid fuel supply means 110 is not limited to the configuration provided with the liquid
脱硫手段120は、脱硫器121と、図示しないバッファタンクと、などを備えている。
脱硫器121は、液体燃料貯溜タンク111から液体燃料供給経路112を介して例えば約300[ml/時間]で供給される液体燃料111Aを、液相吸着法により液体燃料111A中に含有される硫黄化合物を吸着除去する脱硫処理を実施する。この脱硫器121は、図示しない、脱硫剤容器と、脱硫加熱手段と、などを備えている。脱硫剤容器は、内部に脱硫剤が充填された略円筒状に形成され、軸方向の一端に液体燃料供給経路112の燃料供給管112Cの他端が接続され液体燃料111Aが流入される図示しない流入口を有し、軸方向の他端にバッファタンクに接続され脱硫剤と接触して流通する液体燃料111Aを流出させる図示しない流出口を有している。そして、脱硫器121は、脱硫剤容器の軸方向が略鉛直方向に沿う状態で、かつ流入口が鉛直方向の下方に向けて開口するとともに流出口が鉛直方向の上方に向けて開口する状態に設置される。すなわち、脱硫器121は、脱硫剤容器の下部から液体燃料111Aが流入され、鉛直方向の上方に向けて流通しつつ上部から流出させる状態に設置される。脱硫加熱手段は、例えば脱硫剤容器の外面に螺旋状に配設されたシーズヒータなどの電気ヒータを備え、脱硫剤容器の外面側から流通する液体燃料111Aを例えば200℃程度に加熱して脱硫処理を促進させる。なお、脱硫器121の外面には、電気ヒータとともに脱硫剤容器の外面を被覆して断熱する断熱材が設けられる。また、電気ヒータは、螺旋状に配設する構成に限らず、例えば脱硫剤容器の長手方向に沿って折り返すように配設するなどしてもよい。
バッファタンクは、脱硫器121で脱硫処理された液体燃料111Aを一時的に貯溜するタンクである。バッファタンクには、貯溜する液体燃料111Aの液量を検出する液量センサが設けられている。この液量センサは、バッファタンクに所定量が貯溜される状態に、液体燃料供給経路112の液体燃料ポンプ112Aの駆動制御のために液量に関する信号を出力する。そして、このバッファタンクの下部には、脱硫燃料バルブ122Aおよび図示しない脱硫燃料ポンプを有した脱硫燃料経路122が接続され、貯溜する脱硫処理後の液体燃料111Aを気化手段130へ供給可能となっている。また、バッファタンクの上部には、気化した液体燃料111Aを排出、例えば改質ユニット140で燃焼される燃焼ガスとして供給させる図示しない燃焼ガス供給経路が接続されている。
The desulfurization means 120 includes a
The
The buffer tank is a tank that temporarily stores the
気化手段130は、脱硫手段120の脱硫燃料経路122に接続され、脱硫手段120から供給される脱硫処理後の液体燃料111Aを気化させる。この気化手段130は、気化器131と、熱交換装置132と、給水経路133と、などを備えている。なお、気化手段130は、改質ユニット140に一体的に構成されてもよく、別体構成としてもよい。
気化器131は、脱硫燃料経路122に接続され液体燃料111Aが供給されるとともに、熱交換装置132に接続され熱交換装置132から水蒸気が供給される。そして、気化器131は、液体燃料111Aおよび水蒸気を適宜混合して気化、すなわち原料ガスである気化液体燃料を生成させる。この気化器131は、改質ユニット140に接続され、水蒸気が混合されて気化した液体燃料111Aである気化液体燃料を改質ユニット140へ供給する。
熱交換装置132は、改質ユニット140に接続され、改質ユニット140から排気される排ガスを冷却させるとともに排ガスと熱交換させる水から水蒸気を生成させ、生成した水蒸気を気化器131へ供給させる。具体的には、熱交換装置132には、純水133Aを貯溜する純水タンク133Bが搬送ポンプ133Cおよび搬送バルブ133Dを有した給水経路133を介して接続され、純水タンク133Bから純水133Aが供給される。この純水133Aが改質ユニット140からの排ガスと熱交換されて水蒸気として気化器131に供給される。なお、純水タンク133Bは、蒸留水などの不純物を含まない純水133Aを貯溜し、例えば水道水などが浄化されて適宜給水される構成が設けられていてもよい。
The vaporization means 130 is connected to the
The
The
改質ユニット140は、気化手段130により水蒸気が混合されて気化された気化液体燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する。この改質ユニット140は、改質手段としての改質器141と、CO変成装置としてのCO変成器142と、CO選択酸化器143と、などを備えている。
改質器141は、内部に図示しないニッケル触媒などの改質触媒および加熱装置としてのバーナ141Aを備えている。バーナ141Aには、液体燃料貯溜タンク111に接続され搬送ポンプ144Aを有し液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aを搬送する燃料搬送経路144が接続されている。また、バーナ141Aには、送気ブロワ145Aおよび送気バルブ145Bを有した送気経路145が接続され、送気ブロワ145Aの駆動により燃焼用空気が供給される。さらに、バーナ141Aには、詳細は後述する燃料電池170に接続され開閉バルブ146Aを有し燃料電池170から排出される流出物である燃料ガスを排出する返送手段としての燃料ガス供給経路146が接続されている。そして、バーナ141Aは、送気ブロワ145Aから供給される空気により、燃料搬送経路144を介して供給された液体燃料111Aおよび燃料ガス供給経路146を介して供給された燃料ガスを燃焼させ、改質器141に供給された気化液体燃料を水素リッチの燃料ガスに水蒸気改質する。このバーナ141Aの燃焼による高温の排ガスは、気化手段130の熱交換装置132に供給され、純水133Aとの熱交換により冷やされて外気中に排気される。
CO変成器142は、改質器141から流出する水素リッチの燃料ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)を二酸化炭素(CO2)に変成する。このCO変成器142は、図示しない銅系のCO変成触媒、例えばCu−ZnO−Al2O3の触媒が充填されてCO変成層を形成する内部空間を有したCO変成容器を備えている。
CO選択酸化器143は、酸化ブロワ143Aが接続されて空気が供給される。そして、CO選択酸化器143は、供給される空気中の酸素により、CO変成器142で変成されずに残留するCOをCO2に酸化させ、燃料ガス中のCOを除去する。
なお、CO変成器142およびCO選択酸化器143は、改質器141と一体構成としてもよい。また、CO選択酸化器143の他、COを吸着除去するなどの装置を設けるなどしてもよい。
The reforming
The
The
The CO
Note that the
酸素含有気体供給手段150は、酸素含有気体として例えば空気を燃料電池170へ供給する。
具体的には、酸素含有気体供給手段150は、ブロワ151と、一端がブロワ151に接続され他端が燃料電池170に接続された空気供給管152と、この空気供給管152に設けられた空気バルブ153と、を備えている。そして、ブロワ151の駆動により、空気供給管152を介して空気を燃料電池170へ供給する。
The oxygen-containing gas supply means 150 supplies, for example, air to the
Specifically, the oxygen-containing gas supply means 150 includes a
また、改質ユニット140のCO選択酸化器143には、燃料ガスバルブ163Aを有した燃料ガス供給経路163を介して燃料電池170が接続され、改質ユニット140で改質された水素リッチの燃料ガス、例えば加湿器などにて60〜70℃程度に調整しつつ例えば純水タンク133Bから供給される純水133Aにて加湿した燃料ガスを燃料電池170へ供給する。
また、燃料ガス供給経路163は、燃料ガスバルブ163Aより上流側の位置で、バイパス経路165が接続されている。このバイパス経路165は、切替バルブ165Aを有し、燃料ガス供給経路146における開閉バルブ146Aより下流側に接続されている。そして、バイパス経路165は、燃料ガス供給経路163を流通する燃料ガスを、燃料ガス供給経路146を介して改質器141のバーナ141Aへ供給する。
Further, a
The fuel
燃料電池170は、水素と酸素とを反応させて直流電力を発生させる。この燃料電池170は、例えば固体高分子型燃料電池で、正極171と、負極172と、正極171および負極172間に配設された図示しない高分子電解質膜と、を備えている。そして、正極171側には、酸素含有気体供給手段150から例えば加湿器で60〜70℃程度に加湿された空気が供給され、負極172側には例えば加湿器で加湿された水素リッチの燃料ガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と空気中の酸素とが反応して水(純水133A)が生成されるとともに、正極171および負極172間に直流電力が発生する。
そして、負極172側は、上述したように改質器141のバーナ141Aに燃料ガス供給経路146を介して接続され、余った水素分をバーナ141Aの燃料として供給する。また、正極171側には、分離器175が接続されている。この分離器175には、正極171側から反応に利用された空気が供給され、気相分の空気と液相分の水(純水133A)とに分離する。なお、分離した空気は、外気に排気される。そして、分離器175には、純水タンク133Bが接続され、分離した水(純水133A)を純水タンク133Bへ供給する。
また、燃料電池170には、冷却装置177が設けられている。この冷却装置177は、燃料電池170に付設された熱回収装置177Aが設けられている。この熱回収装置177Aには、冷却水循環ポンプ178Aおよび熱交換器178Bを備えた冷却水循環経路178を介して純水タンク133Bが接続されている。そして、冷却装置177は、冷却水循環ポンプ178Aの駆動により、熱回収装置177Aと純水タンク133Bとの間で冷却水となる純水133Aを冷却水循環経路178で循環させ、発電に伴って発熱する燃料電池170を冷却させるとともに熱を回収する。熱交換器178Bは、循環され熱回収装置177Aで熱を回収した純水133Aと、例えば水道水などと熱交換させる。この熱交換により温められた水道水は、例えばお風呂などの他の設備に直接供給されて有効利用される。なお、水道水との熱交換の他、熱交換により得られる熱から発電させるなど、他の設備などに有効利用してもよい。
The
The
The
パージガス供給手段180は、燃料電池システム100の稼働停止の際に不活性ガス、パージ用空気を順次供給して不活性ガス、パージ用空気にて燃料電池システム100内を順次置換・充填、すなわちパージさせる。このパージガス供給手段180は、不活性ガスタンク181と、パージガス供給経路182と、パージブロワ183と、を備えている。
不活性ガスタンク181は、不活性ガスとして例えばドライガスである窒素ガス(N2)を流出可能に貯蔵する。ここで、不活性ガスとしては、窒素ガスに限らず、ヘリウムガスやアルゴンガスなど、各種不活性ガスが利用できる。なお、不活性ガスは、詳細は後述するが、稼働停止時に結露による触媒の酸化、特に昇温時の酸化により、触媒活性が低下するおそれがあるので、ドライガスであることが好ましい。
パージガス供給経路182は、不活性ガスタンク181と、パージブロワ183と、に接続され、不活性ガスタンク181に貯蔵された不活性ガス、パージブロワ183の駆動により供給されるパージ用空気を流通させ脱硫手段120の下流側に供給してパージさせる。具体的には、パージガス供給経路182は、三方弁182Aを有し、上流側が不活性ガスタンク181に接続された不活性ガス供給管182Bと、上流側がパージブロワ183に接続されたパージ用空気供給管182Fと、を備えている。また、三方弁182Aの下流側は、第1供給管182Cおよび第2供給管182Dに分岐されている。そして、第1供給管182Cは、第1バルブ182C1を有し、下流端が脱硫手段120の下流側で気化手段130の気化器131より上流側、すなわち脱硫燃料経路122における脱硫燃料バルブ122Aより下流側に接続されている。また、第2供給管182Dは、第2バルブ182D1を有し、下流端が燃料ガス供給経路163における燃料ガスバルブ163Aより下流側に接続されている。さらに、第1供給管182Cには、第1バルブ182C1より下流側に位置して、第3供給管182Eが接続されている。この第3供給管182Eは、第3バルブ182E1を有し、燃料搬送経路144における搬送ポンプ144Aより下流側でバーナ141Aより上流側、特に搬送ポンプ144Aの駆動を停止して液体燃料111Aの供給を停止した際に燃料搬送経路144中に残留し改質器141の熱により液体燃料111Aが気化してしまう位置より上流側に接続されている。
The purge gas supply means 180 sequentially supplies an inert gas and purge air when the operation of the
The
The purge
循環手段190は、燃料電池170に接続され、燃料電池170から流出する流出物、すなわち燃料電池170から排出される燃料ガスや不活性ガスなどの流出物を脱硫手段120より下流側に供給する。この循環手段190は、循環経路191と、貯溜手段192と、循環ブロワ193と、を備えている。
循環経路191は、循環バルブ191Aを有し、一端が燃料電池170の負極172側に接続すなわち燃料ガス供給経路146における開閉バルブ146Aより上流側に接続され、他端が脱硫手段120より下流側に接続すなわちパージガス供給経路182の第1供給管182Cにおける第1バルブ182C1より上流側に接続され、燃料電池170の負極172から流出される流出物を脱硫手段120の下流側で気化器131より上流側へ供給させる。
貯溜手段192は、循環経路191に設けられ、燃料電池170の負極172から流出される流出物を貯溜する。この貯溜手段192には、気液分離手段192Aが設けられている。気液分離手段192Aは、負極172から循環経路191を流通し貯溜手段192に流入した流出物を気液分離する。具体的には、気液分離手段192Aは、貯溜手段192を構成する図示しない貯溜タンクに設けられ、流出物中の液相分である水(純水133A)のみを純水タンク133Bへ流過させる図示しないドレントラップと、流出物中の気相分のみを循環経路191の下流側へ流通させるベントトラップとを備えている。
循環ブロワ193は、循環経路191における貯溜手段192より下流側に設けられ、駆動により貯溜手段192に貯溜された気相分を脱硫手段120より下流側へ供給させる。
The circulation means 190 is connected to the
The
The
The
そして、燃料電池システム100は、システム全体の動作を制御する図示しない制御装置を備えている。
この制御装置は、液体燃料111Aの流量制御、脱硫器121の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器141のバーナ141Aの燃焼制御、熱交換装置132で水蒸気を生成させるための純水133Aの供給量制御や温度管理、発電量の管理、不活性ガス、パージ用空気のパージ処理などを実施する。
不活性ガスのパージ処理として、後述する空気パージあるいは触媒交換や配管点検などの保守管理などにて内部に空気などが存在するような場合に発電処理を実施、すなわち改質器141で改質処理させて生成する改質ガス中のCOをCO変成器142でCO2に変成する処理を実施する際、50℃以下で不活性ガスをCO変成器142に導入させる。ここで、内部に空気が存在する状態で、50℃より高い温度で不活性ガスを導入すると、この50℃より高い温度の空気で酸化したCO変成触媒を還元した際に、銅が凝集して活性が低下するおそれがある。このことにより、50℃以下で不活性ガスを導入して、50℃よりも高い温度で空気が存在しない状態にしてから、CO変成触媒を還元させる。
また、不活性ガスのパージ処理として、例えば、発電処理を停止する際には、不活性ガスを少なくともCO変成器142に導入させる。この導入では、水蒸気や水、気化液体燃料が改質器141やCO変成器142に存在しないようにする。この不活性ガスのパージとしては、詳細は後述するが、二段階でパージする構成を例示するが、冷却効率などを考慮して水蒸気でパージする場合には、この水蒸気パージの後に一回だけ不活性ガスでパージする一段処理、さらには多段処理してもよい。また、水蒸気パージせず、単に不活性ガスでパージするのみとしてもよい。なお、水蒸気パージする際には、水蒸気が結露する温度まで降温する前に不活性ガスでパージすることが好ましい。すなわち、結露すると水分除去に時間を要したりパージのための不活性ガスの使用量が増大したりするなどの不都合があるためである。
さらに、パージ用空気のパージ処理として、二回目の不活性ガスのパージ処理後に、パージ用空気を少なくともCO変成器142に封入させる。
The
This control device controls the flow rate of the
As an inert gas purge process, a power generation process is carried out when air or the like is present in maintenance such as air purge or catalyst replacement or pipe inspection, which will be described later, that is, a
In addition, as the inert gas purge process, for example, when the power generation process is stopped, at least the inert gas is introduced into the
Further, as the purge process of the purge air, after the second inert gas purge process, the purge air is sealed in at least the
〔燃料電池システムの動作〕
次に、上述した燃料電池システム100における動作について、図面を参照して説明する。
[Operation of fuel cell system]
Next, the operation in the
(起動処理)
まず、燃料電池システム100における動作として、起動時の動作である起動処理について、図2を参照して説明する。
図2は、起動処理の制御動作を示すフローチャートである。
(Start process)
First, as an operation in the
FIG. 2 is a flowchart showing the control operation of the startup process.
まず、制御装置は、発電要求に関する信号を取得すると、各バルブが閉状態であることを確認、すなわち液体燃料供給経路112の燃料供給バルブ112B、脱硫燃料経路122の脱硫燃料バルブ122A、第1供給管182Cの第1バルブ182C1、第2供給管182Dの第2バルブ182D1、循環経路191の循環バルブ191A、給水経路133の搬送バルブ133D、酸素含有気体供給手段150の空気バルブ153、送気経路145の送気バルブ145B、燃料ガス供給経路146の開閉バルブ146A、バイパス経路165の切替バルブ165A、燃料ガス供給経路163の燃料ガスバルブ163A、第3供給管182Eの第3バルブ182E1を閉状態に制御する。また、三方弁182Aの不活性ガス供給管182Bとの接続部分と、パージ用空気供給管182Fとの接続部分と、を閉状態に制御する。なお、発電要求に関する信号としては、利用者によるスイッチの切替操作などの入力操作、現在時刻を計時する計時手段があらかじめ設定された時刻になったことを認識するタイマ制御、電力負荷における電力消費の開始あるいは電力消費の増大などに伴う信号、低下蓄電池の蓄電量の低下に伴う信号などが例示できる。
First, when the control device acquires a signal related to a power generation request, it confirms that each valve is closed, that is, the
そして、制御装置は、50℃以下でパージガス供給手段180により不活性ガスを供給して、50℃よりも高い温度で少なくともCO変成器142に空気が存在しない状態にする不活性ガスパージ工程を実施する(ステップS101)。ここで、停止処理時には、バーナ141Aによる燃焼が停止されるため、この起動時におけるステップS101の不活性ガスパージ工程実施時には、CO変成器142は、一般的な室温、つまり50℃以下の温度になっている。
このステップS101の不活性ガスパージ工程では、制御装置は、パージガス供給経路182の三方弁182Aにおける不活性ガス供給管182Bとの接続部分および第1バルブ182C1を開状態にし、不活性ガスタンク181に貯蔵された不活性ガスを脱硫手段120の下流側に供給するとともに、バイパス経路165の切替バルブ165Aを開状態にする。
詳細には、不活性ガス供給管182Bおよび第1供給管182Cを介して、脱硫燃料経路122における脱硫燃料バルブ122Aおよび気化器131に不活性ガスを供給させる。この不活性ガスの供給により、不活性ガスが脱硫燃料経路122および気化器131を介して改質器141、CO変成器142およびCO選択酸化器143へ順次流入し、残留する空気などをバイパス経路165を介してバーナ141Aへ押し出すように流過させる。この流過により、CO変成触媒のCuが酸化していても、直ちに還元される。
そして、制御装置は、ある程度の不活性ガスの供給の後、例えば改質器141、CO変成器142、CO選択酸化器143の容量と同程度で供給した後、バイパス経路165の切替バルブ165Aを閉状態にするとともに、循環手段190の循環バルブ191Aを開状態として循環ブロワ193を駆動させ、循環経路191で不活性ガスが循環する状態とする。さらに、制御装置は、さらに循環経路191の容量と同程度の不活性ガスを供給した後、パージガス供給経路182の三方弁182Aにおける不活性ガス供給管182Bとの接続部分を閉状態として不活性ガスタンク181からの不活性ガスの供給を中止し、循環経路191で不活性ガスが循環する状態とする。
And a control apparatus implements the inert gas purge process which supplies an inert gas with the purge gas supply means 180 at 50 degrees C or less, and makes the state which at least does not have air in the
In the inert gas purge process of step S101, the control device opens the connection portion of the three-
Specifically, the inert gas is supplied to the
Then, after supplying a certain amount of inert gas, the control device supplies, for example, the capacity of the
また、制御装置は、暖気工程を実施する(ステップS102)。
すなわち、制御装置は、図示しない起動用ヒータを動作させてバーナ141Aを加熱する。また、制御装置は、送気経路145の送気バルブ145Bを開状態にするとともに送気ブロワ145Aを駆動させ、改質器141のバーナ141Aに燃焼用空気を供給させる。さらに、制御装置は、冷却水循環経路178の冷却水循環ポンプ178Aを駆動させ、純水タンク133Bに貯溜する純水133Aを、冷却装置177、熱交換器178Bおよび純水タンク133Bで循環させる。
Further, the control device performs a warming process (step S102).
That is, the control device operates a starting heater (not shown) to heat the
このステップS102における暖気工程の後、制御装置は、バーナ141Aの温度状態を確認する(ステップS103)。そして、制御装置は、バーナ141Aがある程度の温度に暖まったことを認識すると、燃料搬送経路144の搬送ポンプ144Aを駆動させ、液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aをバーナ141Aに供給するとともに、バーナ141Aの図示しない点火器を動作させ、液体燃料111Aを燃焼させて改質器141を加熱する。
After the warm-up process in step S102, the control device confirms the temperature state of the
さらに、制御装置は、バーナ141Aの火炎の温度を検知する。そして、制御装置は、バーナ141Aの火炎検知温度が所定の温度に達したことを認識すると(ステップS104)、改質ユニット140の改質器141、CO変成器142およびCO選択酸化器143の各温度が所定の温度に達したか否かを検出する。そして、制御装置は、改質ユニット140がそれぞれ所定の温度に達したことを認識、具体的には、改質器141の温度が550℃以上で、CO変成器142のCO変成触媒がCOを変成する反応温度となる250℃以上に達したことを認識すると(ステップS105)、循環ブロワ193を停止するとともに循環バルブ191Aを閉状態として、改質工程を実施する(ステップS106)。
すなわち、ステップS106の改質工程では、制御装置は、脱硫手段120の脱硫燃料経路122の脱硫燃料バルブ122Aを開状態とするとともに図示しない脱硫燃料ポンプを駆動させ、脱硫手段120のバッファタンクに貯溜する脱硫処理された液体燃料111Aを気化手段130の気化器131へ供給させる。さらに、制御装置は、液体燃料供給経路112の燃料供給バルブ112Bを開状態とするとともに液体燃料ポンプ112Aを駆動させ、液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aを脱硫手段120の脱硫器121へ燃料供給管112Cを介して供給させる。この液体燃料111Aの脱硫器121への供給により、液体燃料111Aは、脱硫剤との接触により含有される硫黄化合物が吸着除去され、バッファタンクへ流入される。
また、制御装置は、給水経路133の搬送バルブ133Dを開状態とするとともに、気化手段130の給水経路133の搬送ポンプ133Cを駆動させ、純水タンク133Bに貯溜する純水133Aを熱交換装置132へ供給する。この純水133Aの供給により、熱交換装置132で改質器141からの排ガスとの熱交換により水蒸気が生成されて気化器131へ供給される。気化器131への液体燃料111Aの供給と、熱交換装置132から気化器131への水蒸気の供給とにより、液体燃料111Aは水蒸気と混合されて気化され気化液体燃料として改質ユニット140の改質器141へ供給される。なお、気化液体燃料が改質ユニット140へ供給されるまで、循環バルブ191Aを開状態として、残留する不活性ガスを貯溜手段192で回収するようにしてもよい。
そして、制御装置は、バイパス経路165の切替バルブ165Aを開状態とし、気化器131から気化液体燃料として供給され改質ユニット140で改質処理されて流出するガスをバイパス経路165および燃料ガス供給経路146を介して改質器141のバーナ141Aへ供給する。すなわち、改質ユニット140における気化液体燃料の不安定な改質処理状態で処理された燃料ガスは、改質器141の安定加熱のための燃焼に利用される。
Further, the control device detects the flame temperature of the
That is, in the reforming process of step S106, the control device opens the
In addition, the control device opens the
Then, the control device opens the switching
このステップS106における改質工程の後、制御装置は、改質ユニット140における改質処理のための改質器141、CO変成器142およびCO選択酸化器143の各温度などの条件を確認する(ステップS107)。このステップS107で改質処理の条件が満たされたことを認識すると、酸化ブロワ143Aを駆動させてCO選択酸化器143へ空気を供給する。この空気の供給により、CO変成器142で変成されずに残留するCOをCO2に酸化させ、燃料ガス中のCOを除去させる。
そして、ステップS107における改質処理条件の確認後、改質ユニット140が安定したか否か、例えば安定する時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、改質ユニット140の安定時間が経過したことを認識すると(ステップS108)、発電工程(OCV工程)を実施する(ステップS109)。
After the reforming process in step S106, the control device confirms conditions such as the temperatures of the
Then, after confirming the reforming process conditions in step S107, it is determined whether or not the reforming
すなわち、制御装置は、酸素含有気体供給手段150の空気バルブ153を開状態とするとともにブロワ151を駆動させ、空気を例えば加湿器などにて60〜70℃に加熱しつつ純水タンク133Bから供給される純水133Aにて加湿する。そして、加湿した空気を燃料電池170の正極171へ供給させる。
さらに、制御装置は、バイパス経路165の切替バルブ165Aを閉状態とするとともに、燃料ガス供給経路163の燃料ガスバルブ163Aを開状態とし、改質ユニット140で改質された水素リッチの燃料ガスを、例えば加湿器などにて60〜70℃に調整しつつ純水タンク133Bから供給される純水133Aにて加湿する。そして、加湿した燃料ガスを燃料電池170の負極172へ供給させる。
これら加湿された空気および燃料ガスの供給により、燃料電池170では供給された燃料ガスの水素と供給された空気中の酸素とが反応して水(純水133A)を生成させるとともに、正極171および負極172間に直流電力を発生させる。そして、制御装置は、燃料電池170で発生する直流電力の電圧を確認し(ステップS110)、発生した直流電力を制御装置の図示しないインバータを介して交流電力に変換させ、電力負荷へ供給させる(ステップS111)。具体的には、外部からの商用交流電源を供給する状態から燃料電池システム100から家庭用電力として供給させる状態に切り替える。
このようにして、所定の電圧で発電されたことを認識することで(ステップS112)、定常運転処理に移行する(ステップS113)。すなわち、液体燃料111Aの流量制御、脱硫器121の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器141のバーナ141Aの燃焼制御、熱交換装置132で水蒸気を生成させるための純水133Aの供給量制御や温度管理、発電量の管理など、燃料電池システム100全体の運転状態を制御する。
That is, the control device opens the
Further, the control device closes the switching
By supplying the humidified air and the fuel gas, in the
In this way, by recognizing that power is generated at a predetermined voltage (step S112), the routine proceeds to steady operation processing (step S113). That is, to control the flow rate of the
(停止処理)
次に、燃料電池システム100における動作として、停止時の動作である停止処理について、図3および図4を参照して説明する。
図3は、停止処理の制御動作を示すフローチャートである。図4は、起動停止時の改質処理・パージ処理および温度との関係を示すグラフである。
(Stop processing)
Next, as an operation in the
FIG. 3 is a flowchart showing the control operation of the stop process. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the reforming process / purge process and the temperature at the time of starting and stopping.
まず、制御装置は、図4に示すように、停止要求に関する信号を取得すると、停止工程を実施する(ステップS201)。この停止要求に関する信号としては、利用者によるスイッチの切替操作などの入力操作、現在時刻を計時する計時手段があらかじめ設定された時刻になったことを認識するタイマ制御、電力負荷における電力消費の低下あるいは停止に伴う信号、蓄電池の蓄電量の低下に伴う信号などが例示できる。
すなわち、制御装置は、燃料電池170で発電している電力負荷への供給を遮断し、例えば商用交流電源を供給する状態に切り替える。また、制御装置の図示しないインバータをオフする。そして、制御装置は、燃料ガス供給経路163の燃料ガスバルブ163Aを閉状態とし、改質ユニット140で改質された水素リッチの燃料ガスの燃料電池170への供給を停止する。さらに、制御装置は、脱硫手段120の脱硫燃料経路122の脱硫燃料バルブ122Aを閉状態とするとともに図示しない脱硫燃料ポンプの駆動を停止させ、脱硫手段120のバッファタンクに貯溜する脱硫処理された液体燃料111Aの気化器131への供給を遮断する。また、制御装置は、液体燃料供給経路112の燃料供給バルブ112Bを閉状態とするとともに液体燃料ポンプ112Aの駆動を停止させ、液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aの脱硫器121への供給を停止する。
First, as shown in FIG. 4, when the control device acquires a signal related to a stop request, the control device performs a stop process (step S201). Signals related to this stop request include input operations such as switch switching operations by the user, timer control for recognizing that the time measuring means for measuring the current time has reached a preset time, and a reduction in power consumption at the power load Or the signal accompanying a fall, the signal accompanying the fall of the electrical storage amount of a storage battery, etc. can be illustrated.
That is, the control device cuts off the supply to the power load generated by the
このステップS201における停止工程の後、制御装置は、第1不活性ガスパージ工程を実施する(ステップS202)。
すなわち、制御装置は、パージガス供給経路182の三方弁182Aにおける不活性ガス供給管182Bとの接続部分、第1バルブ182C1、第2バルブ182D1および第3バルブ182E1を開状態にし、不活性ガスタンク181に貯蔵された不活性ガスを脱硫手段120の下流側に供給するとともに、バイパス経路165の切替バルブ165Aを開状態にする。
詳細には、不活性ガス供給管182Bおよび第1供給管182Cを介して、脱硫燃料経路122における脱硫燃料バルブ122Aおよび気化器131に不活性ガスを供給させる。この不活性ガスの供給により、気化器131で水蒸気と混合された不活性ガスが改質ユニット140へ流入し、改質ユニット140に残留する気化液体燃料や燃料ガスなどの改質ガスがバイパス経路165を介してバーナ141Aへ押し出されるように流過し、不活性ガスが改質器141、CO変成器142およびCO選択酸化器143に順次流入して置換する状態となる。
また、不活性ガス供給管182Bおよび第2供給管182Dを介して、燃料ガス供給経路163における燃料ガスバルブ163Aの下流側に不活性ガスを供給させる。この供給により、燃料電池170の負極172に残留する燃料ガスが燃料ガス供給経路146を介してバーナ141Aへ押し出されるように流過し、不活性ガスが燃料電池170の負極172に順次流入して置換(パージ)する状態となる。
さらに、第1供給管182Cおよび第3供給管182Eを介して、燃料搬送経路144における搬送ポンプ144Aより下流側に不活性ガスを供給させる。この不活性ガスの供給により、燃料搬送経路144の搬送ポンプ144Aより下流側に残留する液体燃料111Aがバーナ141Aに押し出されて燃焼される状態となり、不活性ガスが燃料搬送経路144の搬送ポンプ144Aより下流側およびバーナ141Aに順次流入して置換する状態となる。このことにより、余熱により残留する液体燃料111Aの固化、焼き付きなどを防止できる。
After the stop process in step S201, the control device performs a first inert gas purge process (step S202).
That is, the control device opens the connection portion of the purge
Specifically, the inert gas is supplied to the
Further, the inert gas is supplied to the downstream side of the
Further, the inert gas is supplied to the downstream side of the
そして、制御装置は、不活性ガスの1回目のパージが完了したか否か、例えば不活性ガスの供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、所定時間が経過(ステップS203)、すなわち気化器131から燃料電池170の負極172までに改質ガスや燃料ガスが除去されたことを認識すると、不活性ガスの供給を中断する。すなわち、制御装置は、パージガス供給経路182の三方弁182Aにおける不活性ガス供給管182Bとの接続部分、第1バルブ182C1、第2バルブ182D1および第3バルブ182E1を閉状態とする。
この状態では、改質器141は、まだ比較的に高温であることから、熱交換装置132で水蒸気が生成されて気化器131に供給され、改質ユニット140に流入する状態となっている。すなわち、第1不活性ガスパージ工程でパージした不活性ガスが水蒸気により押し出されるように、バイパス経路165を介してバーナ141Aへ流過し、水蒸気により改質ユニット140から燃料電池170の負極172がパージされる状態となる。なお、この状態では、燃料ガスバルブ163Aを開状態に制御する。
この水蒸気の改質ユニット140への流入により、改質ユニット140、特に改質器141の冷却が早まる。なお、この水蒸気パージにおいて、不活性ガスをバーナ141Aに流過させず、循環手段190へ流入させ貯溜手段192で回収する構成としてもよい。
そして、制御装置は、改質器141、CO変成器142およびCO選択酸化器143の各温度などの条件を確認し、ある程度の温度まで冷却されたか否かを判断する。例えば、水蒸気パージが所定時間長で実施されたか否かを判断し、所定時間長の水蒸気パージを実施した旨を認識すると(ステップS204)、気化手段130の給水経路133の搬送バルブ133Dを閉状態とするとともに搬送ポンプ133Cの駆動を停止させ、熱交換装置132への純水133Aの供給を停止させる。この純水133Aの供給停止により、水蒸気の発生が停止され、水蒸気パージが停止される。
Then, the control device determines whether or not the first purge of the inert gas is completed, for example, whether or not a predetermined time has elapsed since the start of the supply of the inert gas. When the control device recognizes that the predetermined time has elapsed (step S203), that is, that the reformed gas or fuel gas has been removed from the
In this state, the
The inflow of the steam into the reforming
Then, the control device checks conditions such as the temperatures of the
この後、制御装置は、2回目の不活性ガスのパージを実施する。
すなわち、制御装置は、パージガス供給経路182の三方弁182Aにおける不活性ガス供給管182Bとの接続部分および第1バルブ182C1を開状態にする。また、制御装置は、燃料ガス供給経路146の開閉バルブ146Aを閉状態とするとともに、循環手段190の循環バルブ191Aを開状態にし、循環手段190の循環ブロワ193を駆動させる。このことにより、不活性ガス供給管182Bおよび第1供給管182Cを介して、脱硫燃料経路122における脱硫燃料バルブ122Aおよび気化器131に不活性ガスが供給される。この不活性ガスの供給により、気化器131から燃料電池170の負極172までにパージされている水蒸気は、押し出されるように循環経路191を介して貯溜手段192に流入される。この貯溜手段192に流入した水蒸気は冷却されて水(純水133A)として析出し、貯溜手段192内に滞留される。なお、水蒸気を十分に押し出して燃料電池170の負極172から流出する不活性ガスも循環経路191を介して貯溜手段192に流入し、水蒸気や水(純水133A)が気液分離手段192Aのベントトラップで除去されてから循環ブロワ193にて不活性ガスの供給位置に返送され、循環される。
そして、制御装置は、不活性ガスの2回目のパージが完了したか否か、例えば不活性ガスの供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、所定時間が経過(ステップS205)、すなわち不活性ガスが第1供給管182Cへ返送されて循環する状態となったことを認識すると、パージガス供給経路182の三方弁182Aにおける不活性ガス供給管182Bとの接続部分からの供給を中止させ、既に供給した不活性ガスのみが循環する状態とする。
Thereafter, the control device performs a second purge of the inert gas.
That is, the control device opens the connection portion of the purge
Then, the control device determines whether or not the second purge of the inert gas is completed, for example, whether or not a predetermined time has elapsed since the start of the supply of the inert gas. Then, when the control device recognizes that the predetermined time has elapsed (step S205), that is, the inert gas is returned to the
この後、制御装置は、所定時間が経過、すなわち改質ユニット140が、50℃以下まで冷却したことを認識すると、空気パージ処理を実施する。
すなわち、制御装置は、三方弁182Aにおけるパージ用空気供給管182Fとの接続部分を開状態とするとともに、パージブロワ183を駆動させる。このことにより、パージ用空気供給管182Fおよび第1供給管182Cを介して、脱硫燃料経路122における脱硫燃料バルブ122Aおよび気化器131にパージ用空気が供給される。このパージ用空気の供給により、気化器131から燃料電池170の負極172までにパージされている不活性ガスは、押し出されるように循環経路191を介して貯溜手段192に流入される。なお、不活性ガスを十分に押し出して燃料電池170の負極172から流出するパージ用空気も循環経路191を介して貯溜手段192に流入し、循環ブロワ193にてパージ用空気の供給位置に返送され、循環される。
そして、制御装置は、パージ用空気のパージが完了したか否か、例えばパージ用空気の供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、所定時間が経過(ステップS206)、すなわちパージ用空気が第1供給管182Cへ返送されて循環する状態となったことを認識すると、パージ用空気を密封させる。具体的には、制御装置は、三方弁182Aにおけるパージ用空気供給管182Fとの接続部分、第1バルブ182C1、循環バルブ191A、燃料ガス供給経路163の燃料ガスバルブ163A、切替バルブ165Aを閉状態にするとともに、パージブロワ183および循環ブロワ193の駆動を停止させてパージ用空気の循環を停止させ、気化器131から燃料電池170の負極172までをパージ用空気でパージする。さらに、制御装置は、酸素含有気体供給手段150の空気バルブ153を閉状態にするとともに、ブロワ151の駆動を停止させ、燃料電池170の正極171への空気の供給を停止させる。そしてさらに、制御装置は、送気経路145の送気バルブ145Bを閉状態にするとともに送気ブロワ145Aの駆動を停止させ、バーナ141Aへの燃焼用空気の供給を停止させ、燃料電池システム100は稼働停止される。
Thereafter, when the control device recognizes that the predetermined time has elapsed, that is, that the reforming
That is, the control device opens the connection portion of the three-
Then, the control device determines whether or not purging of the purge air is completed, for example, whether or not a predetermined time has elapsed since the supply of the purge air was started. When the control device recognizes that the predetermined time has elapsed (step S206), that is, the purge air is returned to the
{燃料電池システムの作用効果}
上述したように、上記実施の形態の燃料電池システム100では、発電処理を開始する際に、50℃以下で不活性ガスをCO変成容器に導入させている。
このため、COを変成する処理の開始時において、50℃以上となったときにCO変成触媒が空気雰囲気に晒されることがないので、新たにCuOが生成されることがなく、50℃以上の温度で還元させた際にCO変成触媒のCuが凝集することがない。したがって、銅の凝集によるCO変成触媒の失活を抑制でき、良好な一酸化炭素の変成処理を長期間安定して得ることができる。特に、起動・停止が頻繁に繰り返される家庭用の小型の構成でも長期間安定した触媒活性が得られ、好適である。
また、パージとして、広く利用されている窒素ガスを用いている。
このため、例えば家庭用のシステムとして構築しても、窒素ガスの供給が容易にでき、利用の拡大が容易に得られる。
さらに、ドライな不活性ガスを導入している。
このため、例えばCOの変成処理の停止時の降温の際の水蒸気や冷却後の結露した水分などによりCO変成触媒が酸化され、変成処理の開始の際の加熱により約200℃を超える温度でCO変成触媒が急激に還元されることで、CO変成触媒の銅が凝集して活性が低下することを防止できる。したがって、良好な活性が長期間安定して得られる。
{Operational effect of fuel cell system}
As described above, in the
For this reason, since the CO conversion catalyst is not exposed to the air atmosphere when the temperature becomes 50 ° C. or higher at the start of the CO conversion treatment, CuO is not newly generated, and the temperature of 50 ° C. or higher is not generated. When reduced at temperature, Cu of the CO shift catalyst does not aggregate. Accordingly, the deactivation of the CO shift catalyst due to copper aggregation can be suppressed, and a good carbon monoxide shift treatment can be stably obtained for a long period of time. In particular, it is preferable because a stable catalytic activity can be obtained for a long period of time even in a small home-use configuration in which starting and stopping are frequently repeated.
Further, nitrogen gas, which is widely used, is used for purging.
For this reason, even if it constructs | assembles as a home system, for example, supply of nitrogen gas can be performed easily and expansion of utilization is obtained easily.
Furthermore, a dry inert gas is introduced.
For this reason, for example, the CO conversion catalyst is oxidized by water vapor at the time of temperature reduction at the time of stopping the CO conversion treatment, condensed moisture after cooling, etc., and CO at a temperature exceeding about 200 ° C. by heating at the start of the conversion treatment. By abruptly reducing the shift catalyst, it is possible to prevent the activity of the copper of the CO shift catalyst from agglomerating and decreasing. Therefore, good activity can be stably obtained for a long time.
また、パージガス供給手段180の循環手段190により、原料ガス供給手段から脱硫後の液体燃料111Aに水蒸気を混合して生成した気化液体燃料が供給されて改質ガスを生成する改質器141、この改質器141で生成した改質ガス中のCOを変成するCO変成器142、およびこのCO変成器142でCOが変成された改質ガスを利用して発電する燃料電池170のうち、少なくともいずれか1つから流出する流出物を気液分離して得られた気体、具体的には燃料電池170から流出する流出物である供給された不活性ガスを、改質器141およびCO変成器142へ返送している。
このため、燃料電池170の原料である液体燃料111Aにてパージすることにより改質触媒がコートされて触媒機能が発揮できなくなる液体燃料111Aを原料に用いる構成でも、不活性ガスが供給され不活性ガスが燃料電池170から流出物として流出される状態で循環手段190により脱硫手段120から下流側の位置に供給することで不活性ガスが循環する状態となる。したがって、新たに不活性ガスを供給する必要がなく、不活性ガスを最小限で供給すればよく、供給する不活性ガスを返送させる簡単な構成で、不活性ガスの再利用ができ、不活性ガスによる安定した効率的な稼働停止時のパージができ、効率的な運転を提供できる。さらに、不活性ガスによるパージのために多少余剰に不活性ガスを供給した場合でも余剰分を貯溜手段192で回収したり、再起動時に残留する不活性ガスを循環手段190へ流通させて貯溜手段192で回収したりするなど、さらなる不活性ガスの有効利用が容易に得られ、より効率的な運転制御が得られる。
さらには、パージのための不活性ガスの使用量を低減できることから、例えば不活性ガスを充填する不活性ガスタンクへの不活性ガスの充填頻度を低減でき、保守管理も容易となる。このことから、例えば不活性ガスの充填頻度の低下により不活性ガスタンクの交換頻度が低減するとともに小型の不活性ガスタンクを利用でき、家庭用などにも設置できる小型のシステム構成に容易に構築できる。
そして、不活性ガスのパージにより燃料電池170から流出する流出物を気液分離する気液分離手段192Aを循環手段190に設け、分離した気体を脱硫手段120より下流側へ供給している。
このため、不活性ガスを供給してパージすることにより流出物として流出される発電時の加湿による水や燃料電池170における反応生成物である水、液体燃料111Aの気化および水蒸気改質のために混合される水蒸気由来の水などが分離除去され、ドライな不活性ガスを循環させることが簡単な構成で容易に得られ、水の返送による改質ユニット140の改質処理能力の低下、すなわち触媒機能の低下などを防止でき、良好な停止状態が容易に得られる。
特に、CO変成器142のみならず、改質器141の上流側から不活性ガスを供給して改質器141内さらにはCO選択酸化器143を流通させるので、改質器141の酸化により失活する改質触媒やCO選択酸化触媒などの活性の低下も得られ、一連に不活性ガスを流通させる処理の一動作ででき、全体的な長期間安定した処理が容易に得られる。
Further, a
For this reason, even when the
Furthermore, since the amount of inert gas used for purging can be reduced, for example, the frequency of filling an inert gas tank filled with an inert gas can be reduced, and maintenance management is facilitated. For this reason, for example, the frequency of replacement of the inert gas tank is reduced due to a decrease in the filling frequency of the inert gas, and a small inert gas tank can be used, so that a small system configuration that can be installed for home use can be easily constructed.
A gas-liquid separation means 192A for gas-liquid separation of the effluent flowing out of the
For this reason, for the vaporization and steam reforming of the water by the humidification at the time of power generation that flows out as an effluent by supplying an inert gas and purging, the water that is the reaction product in the
In particular, an inert gas is supplied not only from the
また、パージガス供給手段180により、脱硫手段120で脱硫した液体燃料111Aの供給中止後に所定時間長で不活性ガスを供給させる第1パージ工程を実施した後、所定時間経過後に不活性ガスを再供給させる第2パージ工程を実施している。
このため、液体燃料111Aの供給中止後に不活性ガスのパージにて液体燃料111Aやこの液体燃料111A由来の改質ガスなどが改質ユニット140などに残留することによる炭化、焦げ付き、閉塞などの不都合を防止し、不活性ガスの供給を一旦中断して、例えば液体燃料111Aを改質させるために気化手段130で供給する水蒸気を改質ユニット140に供給させることで改質ユニット140の迅速な冷却が得られ、改質ユニット140がある程度冷却して水蒸気が水として析出する前となるなどの所定時間経過後に不活性ガスを再供給し、水蒸気の残留により上述したような水として析出して改質特性の低下などの不都合を防止することができ、迅速で効率よく稼働停止ができる。さらには、改質器141の迅速な冷却のために水蒸気パージを実施し、水蒸気由来の結露による不都合を防止すべく、水蒸気パージ後に第2パージ工程を実施しているので、再起動時には水や水蒸気が存在せず、触媒の還元状態が維持でき、より長期間安定した処理が得られる。
In addition, the purge
For this reason, after the supply of the
そして、パージガス供給手段180により、気化手段130より上流側で脱硫手段120より下流側に不活性ガスを供給させている。
このため、例えば、液相で液体燃料111Aが脱硫燃料経路122を流通する気化手段130より上流側の部分で、稼働停止のために液体燃料111Aの供給を遮断した際に液体燃料111Aが残留することを防止でき、改質ユニット140の余熱にて残留する液体燃料111Aが炭化するなどの不都合を防止できる。さらには、上述したように、改質器141、CO変成器142およびCO選択酸化器143の一連のパージが得られ、全体的な長期間安定した処理が容易に得られる。
The purge gas supply means 180 supplies an inert gas upstream from the vaporization means 130 and downstream from the desulfurization means 120.
For this reason, for example, in the portion upstream of the vaporization means 130 in which the
また、パージガス供給手段180により、脱硫手段120より下流側に不活性ガスを供給させるとともに、改質ユニット140の下流側で燃料電池170より上流側、すなわち燃料ガス供給経路163における燃料ガスバルブ163Aより下流側に供給させている。
このため、水蒸気由来の水が析出しても不都合を生じない改質ユニット140より下流側の燃料電池170の領域と、水の残留により改質特性の低下などの不都合を生じる改質ユニット140側の領域とで、独立して不活性ガスを供給させる構成が得られる。したがって、改質ユニット140における迅速な冷却のために水蒸気を改質ユニット140側の領域へ供給させ、この水蒸気を排出させるための不活性ガスの再供給を実施することで不活性ガスの使用量をより低減でき、より効率的な運転が得られる。
Further, the purge gas supply means 180 supplies an inert gas downstream from the desulfurization means 120, and at the downstream side of the reforming
For this reason, the region of the
そして、改質ユニット140における気化手段130で気化された液体燃料111Aを改質するために加熱するバーナ141Aへ、燃料電池170に接続され燃料電池170から流出する流出物を供給させて燃焼させる燃料ガス供給経路146に、循環手段190を接続して流出物である第2パージ工程で供給した不活性ガスを脱硫手段120の下流側へ供給させる構成としている。
このため、液体燃料111Aの供給を中止して不活性ガスのパージにより燃料電池170から流出する流出物である水素ガスや一酸化炭素などをバーナ141Aで燃焼させてエネルギ効率の向上および一酸化炭素の排気による環境破壊の防止が得られ、迅速な冷却のために水蒸気を改質ユニット140へ供給させた後に不活性ガスのパージにより燃料電池170から流出する水蒸気や不活性ガス分を循環手段190で回収し、気液分離手段192Aで水蒸気を分離除去してドライな不活性ガスのみを供給して循環させる構成が容易に得られ、良好で効率的な運転が燃料ガス供給経路146から循環手段190を分岐させる簡単な構成で容易に得られる。
The fuel burned by supplying the effluent flowing from the
For this reason, the supply of the
さらに、改質ユニット140における加熱のためにバーナ141Aで燃焼させる液体燃料をバーナ141Aへ供給する燃料搬送経路144にも、不活性ガスを供給させている。
このことにより、稼働停止時に液体燃料111Aの供給を停止させてバーナ141Aによる加熱を停止させることで、バーナ141Aへ液体燃料111Aを供給する燃料搬送経路144中に残留する液体燃料111Aが不活性ガスにてパージされることとなり、改質ユニット140の余熱により残留する液体燃料111Aの炭化などの不都合を防止でき、安定した良好な運転が得られる。
Further, an inert gas is also supplied to a
Thus, when the operation is stopped, the supply of the
また、制御装置にて統括制御している。
このため、温度、流量、バルブの開閉タイミング、ポンプの駆動停止タイミングなど、比較的に容易に制御でき、例えばソフトウェアによるプログラム制御などにて不活性ガスのパージおよび循環制御の構築も容易で、特に停止・起動が比較的に頻繁に実施される家庭用のシステムとしても、自動制御も容易にできる。
なお、制御装置としては、複数の回路基板にて構成されるなど、1個体の形態に限らず、複数の制御回路がネットワークとして構築されたものなど、各種形態が適用できる。
In addition, overall control is performed by the control device.
For this reason, temperature, flow rate, valve opening / closing timing, pump drive stop timing, etc. can be controlled relatively easily.For example, it is easy to construct inert gas purge and circulation control by software program control etc. Automatic control can be easily performed as a home system in which stop and start are performed relatively frequently.
Note that the control device is not limited to a single form such as a plurality of circuit boards, and various forms such as a structure in which a plurality of control circuits are constructed as a network can be applied.
〔実施の形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状などとしても問題はない。
[Modification of Embodiment]
The aspect described above shows one aspect of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and within the scope of achieving the objects and effects of the present invention. Needless to say, the modifications and improvements are included in the contents of the present invention. In addition, the specific structure and shape in carrying out the present invention may be used as other structures and shapes within the scope of achieving the object and effect of the present invention.
すなわち、本発明の燃料電池システムとしては、制御装置で統括して運転制御する構成に限らず、例えば脱硫手段120や気化手段130、改質ユニット140などの構成毎に制御する構成としてもよい。
また、統括制御としてソフトウェアによる信号制御にてバルブの開閉やポンプあるいはブロワの駆動制御を実施する構成としたり、各構成のハードウェアで制御する構成としたりするなど、制御構成としてはいずれの構成が適用できる。
In other words, the fuel cell system of the present invention is not limited to the configuration in which the operation is controlled by the control device, but may be configured to be controlled for each configuration of the desulfurization means 120, the vaporization means 130, the reforming
In addition, as a control configuration, any configuration can be configured, such as a configuration in which valve opening / closing and pump or blower drive control are performed by software signal control as a general control, or a configuration in which control is performed by hardware of each configuration. Applicable.
そして、発電要求に関する信号を取得した後に直ちに不活性ガスを供給したが、少なくともCO変成器142の温度が50℃以下か否かを判断し、50℃以下であると判断した場合に不活性ガスを供給する構成としてもよい。
Then, the inert gas is supplied immediately after obtaining the signal relating to the power generation request, but it is determined whether or not at least the temperature of the
さらに、50℃以下で少なくともCO変成器142に導入するガスとして、不活性ガスの代わりに水素リッチのドライな改質ガスを導入してもよい。
Further, a hydrogen-rich dry reformed gas may be introduced instead of the inert gas as the gas introduced at least to the
また、CO変成器142を空気パージする際に、酸化ブロワ143Aから供給される空気を利用してもよい。このような構成では、パージブロワ183およびパージ用空気供給管182Fを用いる必要がなく、構成を簡略にすることができる。
In addition, when the
さらには、少なくともCO変成器142を空気パージする構成を例示したが、空気パージをしない構成としてもよい。このような構成では、パージブロワ183およびパージ用空気供給管182Fを用いる必要がなく、構成を簡略にすることができる。また、停止処理時に空気パージ処理に伴うステップS206の処理を実施する必要がなくなり、停止処理における制御を容易にできる。
Furthermore, although the configuration in which at least the
そして、液体燃料111Aを加熱して脱硫する構成としたが、例えば加熱することなく常温で脱硫処理する構成を適用することもできる。このような構成では、バッファタンクなどを省略することができ、加熱のためのエネルギ消費の防止もできる。
また、液体燃料111Aの気化としては、水蒸気混合のみならず、例えば改質ユニット140からの排ガスとの熱交換により直接的に気化させて別途水蒸気を混合したり、エゼクタを用いたりするなど、各種気化装置を用いることができる。
さらに、改質ユニット140として、改質器141、CO変成器142およびCO選択酸化器143の一体構成で説明したが、それぞれ別体構成としてもよい。
また、燃料電池170は、固体高分子型に限らず、他の各種構成が適用できる。
And although it was set as the structure which heats and desulfurizes the
In addition, vaporization of the
Furthermore, although the
Further, the
そして、第2供給管182Dを設けて説明したが、第1供給管182Cのみ設け、改質ユニット140と燃料電池170との間に不活性ガスやパージ用空気を供給しなくてもよい。
この構成とすることで、システム構成がより簡略化でき、制御も容易で、システムの構築性がより向上できるとともにより小型化できる。
なお、このような構成の場合には、バイパス経路165を設けなくてもよい。
The
With this configuration, the system configuration can be further simplified, the control can be easily performed, the system construction can be further improved, and the size can be further reduced.
In such a configuration, the
また、循環手段190として、貯溜手段192を設けたが、例えば貯溜手段192を設けず、セパレタである分離器175などの気液分離手段192Aのみを設けるなどしてもよい。
さらには、特別に気液分離手段192Aを設けず、例えば循環経路191の配管を断熱させずに放熱する構成として、循環させる際に水蒸気が冷えて水となり、配管に設けたドレンにて分離させるなどしてもよい。
Further, although the
Furthermore, the gas-liquid separation means 192A is not provided, and, for example, as a configuration that dissipates heat without insulating the piping of the
そして、不活性ガスのパージとして、例えば第1パージ工程を実施せず、単に水蒸気のみを供給させた後に、CO変成器142の温度が水の凝縮温度以下となる前に本発明の還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスの供給である第2パージ工程を実施させるのみとしてもよい。
なお、この場合には、気化手段130より上流側で、改質ユニット140からの余熱が伝わらないようにしたり、滞留する液体燃料111Aを液体燃料貯溜タンク111へ返送させたりするなど、残留する液体燃料111Aが炭化するなどの不都合が生じないようにすることが好ましい。
さらに、不活性ガスのパージの際、循環経路191に不活性ガスが貯溜している場合には、適宜バルブを開閉して貯溜している不活性ガスを供給し、改質ガスや水蒸気をパージしてもよい。
Then, as a purge of the inert gas, for example, the first purge step is not performed, and only the water vapor is supplied, and then the reducing gas of the present invention is reduced before the temperature of the
In this case, the remaining liquid, such as preventing the residual heat from the reforming
Further, when inert gas is stored in the
さらに、停止時に、改質ユニット140から燃料電池170の負極172までをパージする構成について例示したが、以下のような構成とするなどしてもよい。
例えば、停止時に、改質ユニット140のみをパージする。ここで、改質ユニット140のみをパージする場合、改質器141のみをパージしてもよいし、さらにCO変成器142やCO選択酸化器143をパージしてもよい。そして、改質工程で、燃料ガスバルブ163Aおよび開閉バルブ146Aを閉状態にするとともに、切替バルブ165Aを開状態にして、水蒸気や改質ユニット140に充填されていた液体除去ガスなどを燃料電池170の負極172に供給せずに、バーナ141Aのみへ供給して燃焼させる。この後、所定時間、例えば液体除去ガスなどが全て燃焼される時間が経過後、燃料ガスバルブ163Aおよび開閉バルブ146Aを開状態にする構成としてもよい。なお、燃焼させる他、例えば改質ユニット140にて所定の温度に達してCOが除去できる状態になるまで別途貯蔵したり、循環させたりするなどしてもよい。
このような改質ユニット140のみをパージする構成にすれば、起動前に改質ユニット140に充填されていた液体除去ガスなどに、COが含まれている場合であっても、このCOが燃料電池170の負極172に供給されずに、バーナ141Aで燃焼されるので、負極172の劣化を防止できる。
Furthermore, although the configuration of purging from the reforming
For example, when stopping, only the reforming
With such a configuration that only the reforming
また、制御装置の制御プログラムとして独立して流通させるなどしてもよい。 Moreover, you may distribute | circulate independently as a control program of a control apparatus.
その他、本発明の実施における具体的な構造および形状などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などとしてもよい。 In addition, the specific structure and shape in the implementation of the present invention may be other structures as long as the object of the present invention can be achieved.
〔実施例〕
次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
なお、本発明は実施例などの内容に何ら限定されるものではない。
〔Example〕
Next, an Example is given and this invention is demonstrated more concretely.
In addition, this invention is not limited to the content of an Example etc. at all.
(酸化還元状態の経時変化)
まず、各種パージガスを以下の実験1〜4の条件で供給して、CO変成触媒の構造変化を、Cu−K殻吸収端のIn−situ XAFS(X-ray Absorption Fine Structure:X線吸収微細構造)により測定し、この測定結果を解析して、酸化還元状態の経時変化を求めた。
利用したビームラインは、JASRI(Japan Synchrotron Radiation Research Institute:(財)高輝度光科学研究センター) SPring−8のBL01B1である。そして、このビームラインに、図5に示すように、加熱可能な石英製のセル310と、水素ガス、ヘリウムガス、空気、および水蒸気を供給する供給ライン320を備えた実験器300を設置し、加熱しつつ各種パージガスを供給して処理させ、触媒の酸化還元状態を観察した。CO変成触媒としては、Cu−ZnO−Al2O3触媒(ズードケミー社製 商品名:MDC−7)を用いた。
水蒸気は、LC(Liquid Chromatography:液体クロマトグラフィー)用精密送液ポンプ330を用いて、脱イオン水を、200℃に加熱した気化器340に供給して気化させ、フィードガスとして混合してセル310へ供給した。
そして、これらの処理により、セル310中にあるCO変成触媒の構造変化を、Quick−XAFS法により分析した。この分析は、Si(111)2結晶分光器を用いて、測定角(θ)として13.2〔deg〕〜10.7〔deg〕(8658eV〜10649eV)の範囲で0.0005deg/step間隔で1スキャンあたり50秒の条件で測定した。
また、データの解析には、株式会社リガク製XAFS解析ソフトウェア(商品名:REX2000)を用いた。得られたXAFSスペクトルのXANES(X-ray Absorption Near Edge Structure)領域を、標準試料を用いてパターンフィッティングすることにより、CO変成触媒のCuの酸化還元状態の解析を行った。また、EXAFS(Extend X-ray Absorption Fine Structure)領域の振動構造をフーリエ変換し、得られた動径分布関数から、金属Cuの第一配位圏のCu−Cu結合を抽出し、逆フーリエ変換後にカーブフィッティングを行うことにより、第一配位圏のCu−Cu結合の平均配位数を算出し、Cuの凝集状態の解析を行った。XANESスペクトル解析の標準試料としてCuO、Cu(OH)2、Cu2O、Cu−foilを用い、EXAFSスペクトルからの平均配位数算出にはCu−foil(配位距離:2.556Å、配位数:12)を標準試料として用いた。
(Change in redox state over time)
First, various purge gases are supplied under the conditions of Experiments 1 to 4 below, and the structural change of the CO conversion catalyst is changed to an In-situ XAFS (X-ray Absorption Fine Structure: X-ray Absorption Fine Structure) at the Cu-K shell absorption edge. ), And the measurement results were analyzed to determine the change over time in the redox state.
The beam line used is BL01B1 of JASRI (Japan Synchrotron Radiation Research Institute) SPring-8. Then, in this beam line, as shown in FIG. 5, an
Water vapor is vaporized by supplying deionized water to a
And, by these treatments, the structural change of the CO shift catalyst in the
For data analysis, XAFS analysis software (trade name: REX2000) manufactured by Rigaku Corporation was used. The XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) region of the obtained XAFS spectrum was subjected to pattern fitting using a standard sample to analyze the redox state of Cu of the CO shift catalyst. Moreover, the vibration structure of the EXAFS (Extend X-ray Absorption Fine Structure) region is Fourier transformed, and the Cu-Cu bond in the first coordination sphere of metal Cu is extracted from the obtained radial distribution function, and the inverse Fourier transform is performed. By performing curve fitting later, an average coordination number of Cu—Cu bonds in the first coordination sphere was calculated, and the aggregation state of Cu was analyzed. CuO, Cu (OH) 2 , Cu 2 O, and Cu-foil were used as standard samples for XANES spectrum analysis, and Cu-foil (coordination distance: 2.556 mm, coordination was used to calculate the average coordination number from the EXAFS spectrum. Number: 12) was used as a standard sample.
[実験1における酸化還元状態の経時変化]
実験1は、上記図5に示す実験器300を設置した装置で、図6(A)に示すような雰囲気および温度でCO変成触媒を処理した。すなわち、水素雰囲気(H2/不活性ガス(He))において、80℃近傍から230℃近傍まで昇温させた。
このとき、図6(B)に示すように、150℃近傍までは、Cu(OH)2、CuOが存在するが、さらに230℃近傍まで昇温させると、これらが還元されて、Cuが約85%、Cu2Oが約15%存在する状態になることが認められた。
[Change in redox state over time in Experiment 1]
Experiment 1 was an apparatus in which the
At this time, as shown in FIG. 6 (B), Cu (OH) 2 and CuO are present up to about 150 ° C. However, when the temperature is further raised to about 230 ° C., these are reduced and Cu is reduced to about It was confirmed that 85% and about 15% Cu 2 O were present.
[実験2における酸化還元状態の経時変化]
実験2は、図6(A)に示すような雰囲気および温度でCO変成触媒を処理した。すなわち、実験1の後に、反応時を模して、水蒸気(H2O)を供給して水素水蒸気雰囲気(H2/He/H2O)に置換するとともに、250℃近傍まで昇温させた。
このとき、図6(B)に示すように、Cuが約90%まで増加し、Cu2Oが約10%まで減少することが認められた。
[Change in redox state over time in Experiment 2]
In
At this time, as shown in FIG. 6B, it was recognized that Cu increased to about 90% and Cu 2 O decreased to about 10%.
[実験3における酸化還元状態の経時変化]
実験3は、図7(A)に示すような雰囲気および温度でCO変成触媒を処理した。すなわち、実験2と同様の条件(Cuが約90%、Cu2Oが約10%存在する約250℃の水素水蒸気雰囲気)から、250℃近傍を維持したままH2の供給を停止して水蒸気雰囲気(He/H2O)に置換し、約2時間後に250℃近傍を維持したままH2の供給を再開して水素水蒸気雰囲気に戻した。
このとき、図7(B)に示すように、H2の供給を停止して水蒸気雰囲気に置換すると、Cuが徐々に酸化して、Cuが約40%まで減少し、Cu2Oが約60%まで増加することが認められた。さらに、H2の供給を再開して水素水蒸気雰囲気に戻すと、Cu2Oが還元されて、約20分後にCuが約90%まで増加し、Cu2Oが約10%まで減少し、H2供給停止前の比率に戻ることが認められた。
[Change in redox state over time in Experiment 3]
In Experiment 3, the CO shift catalyst was treated at the atmosphere and temperature as shown in FIG. That is, under the same conditions as in Experiment 2 (about 250 ° C. hydrogen steam atmosphere with about 90% Cu and about 10% Cu 2 O), the supply of H 2 was stopped while maintaining the vicinity of 250 ° C. The atmosphere (He / H 2 O) was replaced, and after about 2 hours, the supply of H 2 was resumed while maintaining the vicinity of 250 ° C. to return to the hydrogen water vapor atmosphere.
At this time, as shown in FIG. 7B, when the supply of H 2 is stopped and replaced with a water vapor atmosphere, Cu is gradually oxidized, Cu is reduced to about 40%, and Cu 2 O is about 60%. It was observed to increase to%. Furthermore, when the supply of H 2 is restarted and returned to the hydrogen water vapor atmosphere, Cu 2 O is reduced, and after about 20 minutes, Cu increases to about 90% and Cu 2 O decreases to about 10%. 2 It was recognized that the ratio returned to the ratio before the supply was stopped.
[実験4における酸化還元状態の経時変化]
実験4は、図8(A)に示すような雰囲気および温度でCO変成触媒を処理した。すなわち、実験2と同様の条件から、不活性ガス雰囲気(He)に置換するとともに50℃近傍まで降温させた。そして、空気雰囲気(Air)に置換して所定時間50℃近傍を維持した後に、空気雰囲気を維持した状態で250℃近傍まで昇温させ、250℃近傍を維持したまま不活性ガス雰囲気に戻した。さらに、所定時間後に、H2の供給を再開して水素雰囲気に置換した。
このとき、図8(B)に示すように、不活性ガス雰囲気下で50℃近傍まで降温させた後に空気雰囲気に置換しても、CuおよびCu2Oの比率が変化しないことが認められた。また、空気雰囲気下で250℃近傍まで昇温させると、200℃近傍までは、Cuの酸素による酸化により、Cuが約42%まで減少し、Cu2Oが約34%まで増加するとともに、新たにCuOが生成されて約24%存在する状態になり、それ以降は、CuおよびCu2Oがそれぞれ約15%、約32%まで減少するとともに、CuOが約53%まで増加することが認められた。さらに、250℃近傍で不活性ガス雰囲気に戻すと、Cu2O、CuO、Cuの比率が変化しないことが認められた。そして、さらに水素雰囲気に戻すと、Cuが約90%まで増加し、Cu2Oが約10%まで減少するとともに、CuOが存在しなくなり、酸素酸化前の比率に戻ることが認められた。
[Change in redox state over time in Experiment 4]
In Experiment 4, the CO shift catalyst was treated at the atmosphere and temperature as shown in FIG. That is, under the same conditions as in
At this time, as shown in FIG. 8 (B), it was recognized that the ratio of Cu and Cu 2 O did not change even when the temperature was reduced to around 50 ° C. in an inert gas atmosphere and then replaced with an air atmosphere. . Further, when the temperature is raised to about 250 ° C. in an air atmosphere, Cu is reduced to about 42% and Cu 2 O is increased to about 34% due to oxidation of Cu by oxygen with oxygen. It is observed that Cu and Cu 2 O are present in about 24%, and thereafter, Cu and Cu 2 O decrease to about 15% and about 32%, respectively, and CuO increases to about 53%. It was. Furthermore, it was recognized that the ratio of Cu 2 O, CuO, and Cu did not change when the atmosphere was returned to an inert gas atmosphere at around 250 ° C. Further, it was confirmed that when the atmosphere was returned to a hydrogen atmosphere, Cu increased to about 90%, Cu 2 O decreased to about 10%, and CuO disappeared, returning to the ratio before oxygen oxidation.
(酸化還元時のCu−Cu結合の配位数および平均結晶子径)
次に、上記実験1〜4をそれぞれ実施した後におけるCO変成触媒のXAFS測定結果に基づいて算出された、Cu−Cu結合の平均配位数から、平均結晶子径を算出した。Cu結合は、f.c.c構造をとることが知られており、CO変成触媒上のCu粒子の結晶子形状をcubo-octahedronモデルと仮定すると、結晶子径サイズとCu−Cu結合の平均配位数の関係が算出可能である。また、比較のために、以下の実験5,6をそれぞれ実施した後におけるCO変成触媒の構造変化をXAFS測定結果より解析し、Cu−Cu結合の平均配位数と、平均結晶子径と、を求めた。
(Coordination number and average crystallite diameter of Cu-Cu bond during redox)
Next, the average crystallite diameter was calculated from the average coordination number of the Cu—Cu bond calculated based on the XAFS measurement result of the CO shift catalyst after each of the above experiments 1 to 4. Cu bond is f. c. It is known to have a c structure, and the relationship between the crystallite size and the average coordination number of the Cu-Cu bond can be calculated assuming that the crystallite shape of the Cu particles on the CO conversion catalyst is a cube-octahedron model. It is. For comparison, the structural change of the CO conversion catalyst after each of the following experiments 5 and 6 was analyzed from the XAFS measurement results, and the average coordination number of Cu-Cu bonds, the average crystallite diameter, Asked.
ここで、まず、実験5,6の実施方法について説明する。なお、実験5,6は、略等しいため、実験5について詳細に説明し、実験6については、実験5との差異について説明する。 Here, first, an implementation method of Experiments 5 and 6 will be described. Since Experiments 5 and 6 are substantially equal, Experiment 5 will be described in detail, and for Experiment 6, differences from Experiment 5 will be described.
[実験5の実施方法]
実験5は、図9に示すような固定床流通装置210を用いて実施した。そして、実験装置200は、改質模擬ガスと水とを供給する反応ガスライン220と、パージ用ガスライン230と、固定床流通装置210を備えた電気炉240と、ガスクロマトグラフィを利用する分析装置250とを備えている。固定床流通装置210に充填するCO変成触媒としては、実験1〜4と同じものを用いた。
そして、実験装置200の運転条件としては、H2:CO:CO2:H2O=50:10:10:30の組成比の反応ガスを、GHSV(Gas Hourly Space Velocity:空間速度)=2500-1の条件で反応ガスライン220から固定床流通装置210へ供給し、180℃で反応させた。また、運転条件として、実験装置200の起動・停止(DSS)は、降温しながら反応ガスを、水蒸気に切り換え、50℃以下の温度で6時間保持した後、再び昇温し、反応温度の180℃で反応ガスライン220から供給する反応ガスに切り替える工程とした。そして、このような処理を50回繰り返した。
[Method of performing Experiment 5]
Experiment 5 was conducted using a fixed
The operating conditions of the
[実験6の実施方法]
実験6は、実験5における降温時に反応ガスを水蒸気に切り換える処理の代わりに、空気(Air)に切り換える処理をする。そして、起動・停止を50回繰り返した。
[Method of performing Experiment 6]
In Experiment 6, instead of the process of switching the reaction gas to water vapor when the temperature drops in Experiment 5, the process of switching to air (Air) is performed. And start-up / stop was repeated 50 times.
[実験1〜6実施後におけるCO変成触媒のCu−Cu結合の配位数および平均結晶子]
次に、実験1〜6実施後におけるCO変成触媒のCu−Cu結合の配位数および平均結晶子について説明する。
上述したように、実験1〜6実施後におけるCO変成触媒のXAFSによる測定結果に基づいて、CuのCu−Cu結合の配位数と、平均結晶子径と、を求めた。その結果を表1に示す。
[Coordination number and average crystallite of Cu—Cu bond of CO conversion catalyst after Experiments 1-6]
Next, the coordination number of Cu—Cu bonds and the average crystallite of the CO shift catalyst after the experiments 1 to 6 will be described.
As described above, the coordination number of Cu—Cu bond of Cu and the average crystallite diameter were determined based on the measurement results by XAFS of the CO conversion catalyst after the experiments 1 to 6. The results are shown in Table 1.
この表1に示す結果から、実験3実施後における配位数および平均結晶子径は、実験2実施後におけるそれらと略等しいことが認められた。つまり、CO変成触媒を、250℃で水蒸気雰囲気に晒して酸化させた後に、水素水蒸気雰囲気に晒して還元させたとしても、Cuは、酸化前と同様に凝集していないことが認められた。これは、空気が存在しない雰囲気において比較的高い温度で酸化還元させると、図7(B)に示すように、Cu2Oのみが生成され、還元により容易にCuに戻るためと考えられる。
また、実験4〜6実施後における配位数および平均結晶子径は、実験2,3実施後におけるそれらと比べて大きいことが認められた。つまり、CO変成触媒を、50℃以上の空気雰囲気中で昇温させて酸化させた後に還元させると、Cuは、酸化前と比べて凝集していることが認められた。これは、50℃以上の空気雰囲気中で昇温させつつ酸化させると、より厳しい酸化雰囲気に晒されることとなり、図8(B)に示すように、Cu2Oに加えてCuOも生成され、このCuOによりCuの凝集が促進されるためと考えられる。
以上のことから、CO変成触媒を用いたCOの変成処理を停止する際、50℃以下でCO変成触媒に還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを流通させて、50℃以上となったときにCO変成触媒が空気雰囲気に晒されるおそれをなくすことにより、COの変成処理を開始する際に昇温させたとしてもCuOが生成されることがなくなり、還元させた際のCuの凝集が生じないことがわかる。
From the results shown in Table 1, it was confirmed that the coordination number and the average crystallite diameter after the execution of the experiment 3 were substantially equal to those after the execution of the
Further, it was confirmed that the coordination number and the average crystallite diameter after the experiments 4 to 6 were larger than those after the
From the above, when stopping the CO shift treatment using the CO shift catalyst, at least one of the reducing gas and the inert gas is allowed to flow through the CO shift catalyst at 50 ° C. or lower, and 50 ° C. By eliminating the risk that the CO conversion catalyst will be exposed to the air atmosphere when the above is reached, CuO will not be generated even when the temperature is raised when starting the CO conversion treatment, and when the reduction is performed It turns out that aggregation of Cu does not arise.
本発明は、灯油などの液体燃料や液化石油ガスなどの炭化水素原料を用いて発電させる燃料電池システムにおけるパージ処理に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a purge process in a fuel cell system that generates power using a liquid fuel such as kerosene or a hydrocarbon raw material such as liquefied petroleum gas.
100……燃料電池システム
110……原料ガス供給手段を構成する液体燃料供給手段
111A…炭化水素原料としての液体燃料
120……原料ガス供給手段を構成する脱硫手段
130……原料ガス供給手段を構成する気化手段
141……改質手段としての改質器
142……CO変成装置としてのCO変成器
150……酸素含有気体供給手段
170……燃料電池
180……導入ガス供給手段としても機能するパージガス供給手段
190……導入ガス供給手段としても機能する循環手段
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記改質ガスを流通可能に前記CO変成触媒が充填された変成容器と、
前記変成容器に前記改質ガスを導入して前記COを変成する処理を開始する際に、50℃以下で還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを前記変成容器に導入させる制御装置と、
を具備したことを特徴としたCO変成装置。 A reformed gas mainly composed of hydrogen gas (H 2 ) generated by reforming a raw material gas containing a hydrocarbon raw material is introduced, and carbon monoxide (CO) remaining in the reformed gas is introduced. A CO conversion device filled with a copper-based CO conversion catalyst that converts to carbon dioxide (CO 2 ),
A shift vessel filled with the CO shift catalyst to allow the reformed gas to flow;
When the process of introducing the reformed gas into the shift vessel and converting the CO is started, at least one of a reducing gas and an inert gas is introduced into the shift vessel at 50 ° C. or lower. A control device;
CO conversion apparatus characterized by comprising.
前記制御装置は、前記COを変成する処理を開始する前に、前記少なくともいずれか一方のガスを前記変成容器に導入させる
ことを特徴としたCO変成装置。 The CO converter according to claim 1,
The control device causes the at least one gas to be introduced into the shift container before starting the process of converting the CO.
前記制御装置は、前記改質ガスを導入して前記COを変成する処理を停止する際に、パージガスを前記変成容器に導入して充填させる
ことを特徴としたCO変成装置。 The CO converter according to claim 1 or 2, wherein
The control device introduces a purge gas into the shift vessel and fills it when stopping the process of introducing the reformed gas and converting the CO.
前記制御装置は、前記還元ガスとして前記改質ガスを充填させる
ことを特徴としたCO変成装置。 A CO converter according to any one of claims 1 to 3,
The CO conversion device, wherein the control device fills the reformed gas as the reducing gas.
前記制御装置は、前記少なくともいずれか一方のガスとしてドライガスを充填させる
ことを特徴としたCO変成装置。 The CO converter according to any one of claims 1 to 4,
The CO conversion device, wherein the control device is filled with a dry gas as the at least one gas.
前記改質ガス中のCOを変成する処理を開始する際に、50℃以下で還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを前記CO変成触媒に流通させる
ことを特徴とするCO変成方法。 Carbon monoxide (CO) remaining in the reformed gas mainly composed of hydrogen gas (H 2 ) generated by reforming the raw material gas containing the hydrocarbon raw material is converted by a copper-based CO conversion catalyst. A CO conversion method for converting to carbon dioxide (CO 2 ),
CO at the time of starting the process which transforms CO in the reformed gas, at least one of a reducing gas and an inert gas is allowed to flow through the CO shift catalyst at 50 ° C. or lower. Transformation method.
この改質手段に接続され前記改質ガス中に残留する一酸化炭素(CO)を二酸化炭素(CO2)に変成する請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のCO変成装置と、
酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、
前記改質手段で生成され前記CO変成装置でCOを変成する処理が実施された改質ガス、および前記酸素含有気体供給手段によって供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、
前記CO変成装置の制御装置により、前記改質手段および前記CO変成装置へ還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを導入させる導入ガス供給手段と、
を具備したことを特徴とした燃料電池システム。 Reforming means for reforming a raw material gas containing a hydrocarbon raw material into a reformed gas mainly composed of hydrogen gas (H 2 );
A CO conversion device according to any one of claims 1 to 5 for transforming carbon monoxide (CO) remaining connected to the reformed gas to the reforming unit to the carbon dioxide (CO 2), and
An oxygen-containing gas supply means for supplying an oxygen-containing gas;
A reformed gas produced by the reforming means and subjected to a process for transforming CO by the CO converter, and a fuel cell for generating electricity using the oxygen-containing gas supplied by the oxygen-containing gas supply means;
An introduction gas supply means for introducing at least one of a reducing gas and an inert gas into the reforming means and the CO converter by the control device of the CO converter;
A fuel cell system comprising:
この改質手段に接続され前記改質ガス中に残留する一酸化炭素(CO)を二酸化炭素(CO2)に変成するCO変成触媒が前記改質ガスを流通可能に充填された変成容器と、
酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、
前記改質手段および前記CO変成装置へ還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを導入する導入ガス供給手段と、
前記変成容器に前記改質ガスを導入して前記COを変成する処理を開始する際に、50℃以下で前記導入ガス供給手段により前記少なくともいずれか一方のガスを前記変成容器に導入させる制御装置と、
を具備したことを特徴とした燃料電池システム。 Reforming means for reforming a raw material gas containing a hydrocarbon raw material into a reformed gas mainly composed of hydrogen gas (H 2 );
A shift vessel connected to the reforming means and charged with a CO shift catalyst for converting carbon monoxide (CO) remaining in the reformed gas into carbon dioxide (CO 2 ) so that the reformed gas can flow;
An oxygen-containing gas supply means for supplying an oxygen-containing gas;
An introduction gas supply means for introducing at least one of a reducing gas and an inert gas into the reforming means and the CO converter;
A control device for introducing at least one of the gases into the shift vessel by the introduction gas supply means at 50 ° C. or lower when the process of converting the CO by introducing the reformed gas into the shift vessel is started. When,
A fuel cell system comprising:
前記炭化水素原料に水蒸気を混合して生成した前記原料ガスを改質手段へ供給する原料ガス供給手段を具備し、
前記導入ガス供給手段は、前記改質手段、前記CO変成装置および前記燃料電池のうちの少なくともいずれか1つから流出する流出物を気液分離して得られた気体を前記少なくともいずれか一方のガスとして供給する循環手段を備えた
ことを特徴とした燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 7 or 8,
Comprising a raw material gas supply means for supplying the raw material gas produced by mixing the hydrocarbon raw material with water vapor to the reforming means,
The introduction gas supply means includes a gas obtained by gas-liquid separation of an effluent flowing from at least one of the reforming means, the CO conversion device, and the fuel cell. A fuel cell system comprising a circulation means for supplying gas.
前記原料ガスを供給して前記燃料電池で発電させる際に、50℃以下で還元ガスおよび不活性ガスのうちの少なくともいずれか一方のガスを前記CO変成触媒に流通させる
ことを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。 A raw material gas containing a hydrocarbon raw material is reformed into a reformed gas mainly composed of hydrogen gas (H 2 ) by reforming means, and carbon monoxide (CO) remaining in the reformed gas is converted into a CO converter. An operation control method for a fuel cell system for controlling an operation state in a fuel cell system that generates electricity by being converted to carbon dioxide (CO 2 ) after being converted to carbon dioxide (CO 2 ) by a copper-based CO conversion catalyst charged in
When supplying the source gas and generating power in the fuel cell, at least one of a reducing gas and an inert gas is circulated through the CO conversion catalyst at 50 ° C. or lower. System operation control method.
前記原料ガスは、前記炭化水素原料に水蒸気が混合されて生成されたものであり、
前記燃料電池での発電を停止する際に、前記炭化水素原料の供給を停止して前記水蒸気を前記改質手段および前記CO変成装置へ供給して冷却される冷却工程と、
この冷却工程の後に前記水蒸気の供給を停止してパージガスを前記改質手段および前記CO変成装置に供給して充填するパージ工程と、を実施する
ことを特徴とする燃料電気システムの運転制御方法。 An operation control method for a fuel cell system according to claim 10,
The raw material gas is produced by mixing water vapor with the hydrocarbon raw material,
A cooling step in which when the power generation in the fuel cell is stopped, the supply of the hydrocarbon raw material is stopped and the steam is supplied to the reforming means and the CO conversion device to be cooled;
A method for controlling the operation of the fuel electric system, comprising: a purge step of stopping supply of the water vapor and supplying a purge gas to the reforming means and the CO conversion device after the cooling step.
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