JP3349802B2 - Method and apparatus for regenerating nitrogen gas for fuel cell sealing - Google Patents
Method and apparatus for regenerating nitrogen gas for fuel cell sealingInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池による発電装
置において、窒素ガスを循環させて燃料電池本体のシー
ルや装置内部のパージ等に利用するための方法及び装置
に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for circulating nitrogen gas for use in sealing a fuel cell body or purging the inside of an apparatus in a power generation apparatus using a fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図３は、従来の燃料電池による発電装置
の一例を示したものである。この装置におけるガスの流
れは、主として燃料ガス系統と、空気系統とに分けられ
る。2. Description of the Related Art FIG. 3 shows an example of a conventional power generator using a fuel cell. The gas flow in this device is mainly divided into a fuel gas system and an air system.
【０００３】Ａ）燃料ガス系統 まず、原燃料ガス（天然ガス）は、圧送機１０から熱交
換器１２、脱硫反応器１４、及び熱交換器１６を順に通
って改質器１８に導入され、この改質器１８に設けられ
たバーナによる加熱で改質ガスに変化する。この改質ガ
スは、上記熱交換器１６、熱交換器２０、高温ＣＯ変成
器２２、上記熱交換器１２、熱交換器２４、低温ＣＯ変
成器２６、熱交換器２８、排熱回収熱交換器３０を順に
通って燃料ガス気水分離器３２に導入される。この気水
分離器３２で分離された水分は水処理装置３４へ導入さ
れ、ガス分の一部は循環用ブロア３６によって天然ガス
側に戻される。残りのガスは上記熱交換器２８を通じて
各燃料電池３８の燃料極４０Ａに供給され、この燃料電
池３８内で反応することにより電力を発生させる。反応
後のガスは燃料極４０Ａから電池排燃料として導出さ
れ、通路４１Ａを通じて図４に示すような改質器１８の
バーナ１９に供給される。A) Fuel gas system First, raw fuel gas (natural gas) is introduced into a reformer 18 from a pump 10 through a heat exchanger 12, a desulfurization reactor 14, and a heat exchanger 16 in that order. The gas is converted into a reformed gas by heating by a burner provided in the reformer 18. The reformed gas is supplied to the heat exchanger 16, the heat exchanger 20, the high-temperature CO converter 22, the heat exchanger 12, the heat exchanger 24, the low-temperature CO converter 26, the heat exchanger 28, and the waste heat recovery heat exchange. The fuel gas and water separator 32 is introduced into the fuel gas / water separator 32 through the device 30 in order. The water separated by the steam separator 32 is introduced into a water treatment device 34, and a part of the gas is returned to the natural gas side by a circulation blower 36. The remaining gas is supplied to the fuel electrode 40A of each fuel cell 38 through the heat exchanger 28, and reacts in the fuel cell 38 to generate electric power. The gas after the reaction is led out from the fuel electrode 40A as fuel discharged from the cell, and supplied to the burner 19 of the reformer 18 as shown in FIG.
【０００４】Ｂ）空気系統 この系統では、原料空気が圧縮機５２、冷却器５４、及
び圧縮機５６を順に通って各燃料電池３８の空気極４０
Ｂに供給され、この空気内の酸素が上記燃料の燃焼に消
費されて残りのガスは窒素ガスに富んだ電池排空気（ア
ノード排ガス）となる。この電池排空気は、通路４１
Ｂ、及び熱交換器２０，４２を通じて上記図４の改質器
バーナ１９へ送られる。B) Air system In this system, the raw material air passes through a compressor 52, a cooler 54, and a compressor 56 in this order, and an air electrode 40 of each fuel cell 38 is provided.
B, the oxygen in the air is consumed in the combustion of the fuel, and the remaining gas becomes exhaust gas (anode exhaust gas) of the cell rich in nitrogen gas. This battery exhaust air is supplied to the passage 41.
B, and sent to the reformer burner 19 of FIG. 4 through the heat exchangers 20 and 42.
【０００５】なお、改質器１８で発生した燃焼ガスは、
上記熱交換器４２、タービン４４、熱交換器４６、及び
冷却器４８を順に通って排ガス気水分離器５０に送ら
れ、分離された水分は上記水処理装置３４へ送られる一
方、ガス分は排気筒５２を通じて系外へ排出される。[0005] The combustion gas generated in the reformer 18 is:
The heat is passed through the heat exchanger 42, the turbine 44, the heat exchanger 46, and the cooler 48 in order to the exhaust gas steam separator 50, and the separated moisture is sent to the water treatment device 34, while the gas content is It is discharged out of the system through an exhaust pipe 52.
【０００６】ところで、このような発電装置では、燃料
電池本体内外のシールや装置内の昇圧、パージ等を行う
ために窒素ガスが使用される。例えば、燃料電池３８に
おいては、両極４０Ａ，４０Ｂを含む燃料電池本体を外
部からシールするために、この燃料電池本体の周囲に図
４に示すようなシール部３９が設けられ、このシール部
３９にシール用窒素ガスが供給されるとともに、この窒
素ガスと燃料電池本体からリークした不純物（ＣＨ4，
Ｈ2，ＣＯ，ＣＯ2，Ｏ2，Ｈ2Ｏ等）との混合ガスが上記
シール部３９から排気されるようになっている。By the way, in such a power generation device, nitrogen gas is used for sealing inside and outside of the fuel cell main body, and for increasing the pressure and purging inside the device. For example, in the fuel cell 38, a sealing portion 39 as shown in FIG. 4 is provided around the fuel cell main body in order to seal the fuel cell main body including both the electrodes 40A and 40B from the outside. While supplying nitrogen gas for sealing, the nitrogen gas and impurities (CH 4 ,
A gas mixture with H 2 , CO, CO 2 , O 2 , H 2 O, etc.) is exhausted from the seal portion 39.
【０００７】図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、上記のような
窒素ガスの使用期間及び使用量をグラフにしたものであ
る。同図（ａ）に示すように、通常運転時には、燃料電
池本体を外部からシールするために上記シール部３９に
窒素ガスが少量ずつコンスタントに供給される。また、
装置起動時には、同図（ｂ）に示すように、改質系を昇
圧させるのに窒素ガスが使用された後、昇温時間をおい
て燃料電池の昇圧に再び窒素ガスが使用される。さら
に、装置停止時には、同図（ｃ）に示すように、降温時
間が経過した後に燃料電池電極のパージ用及び改質系の
パージ用としてそれぞれ窒素ガスが使用される。FIGS. 5 (a), 5 (b) and 5 (c) are graphs showing the use period and the use amount of the nitrogen gas as described above. As shown in FIG. 3A, during normal operation, a small amount of nitrogen gas is constantly supplied to the seal portion 39 in order to seal the fuel cell body from the outside. Also,
When the apparatus is started, as shown in FIG. 3B, after the nitrogen gas is used to increase the pressure of the reforming system, the nitrogen gas is used again to increase the pressure of the fuel cell after a heating time. Further, when the apparatus is stopped, as shown in FIG. 3 (c), nitrogen gas is used for purging the fuel cell electrode and purging the reforming system after the elapse of the temperature dropping time.
【０００８】そこで従来は、このような窒素ガスを発電
装置に供給すべく、図３に示すような液体窒素タンクロ
ーリ車５８及び図３，４に示すような窒素貯蔵装置６０
を設置し、この窒素貯蔵装置６０から通路６２や通路６
３を通じて上記シール部３９をはじめとする窒素使用個
所に窒素ガスを分配することが行われている。Therefore, conventionally, in order to supply such a nitrogen gas to the power generator, a liquid nitrogen tank truck 58 as shown in FIG. 3 and a nitrogen storage device 60 as shown in FIGS.
Is installed, and the passage 62 and the passage 6 are
Through the step 3, the nitrogen gas is distributed to the nitrogen use places including the seal portion 39.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来
は、比較的高価な窒素ガスを全て装置外部から多量に装
置内に供給し、しかも、一旦供給された窒素ガスを使用
後そのまま系外へ排出しているため、窒素ガスの消費量
は膨大なものとなっており、これが発電コスト削減の大
きな妨げとなっている。As described above, conventionally, a relatively large amount of relatively expensive nitrogen gas is supplied from outside the apparatus to the inside of the apparatus, and the supplied nitrogen gas is used as it is outside the system. Because of this, the amount of nitrogen gas consumed is enormous, which is a major obstacle to reducing power generation costs.
【００１０】本発明は、このような事情に鑑み、燃料電
池による発電装置において、装置外部から供給が必要な
窒素ガスの量を削減することができる方法及び装置を提
供することを目的とする。[0010] In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a method and apparatus capable of reducing the amount of nitrogen gas that needs to be supplied from the outside of a power generator using a fuel cell.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として、本発明は、燃料極及び酸素極を有する燃
料電池本体と、この燃料電池本体を外部からシールする
シール部とを備え、上記燃料極に燃料ガスを導入して上
記酸素極に酸素含有ガスを導入し、各極からそれぞれ排
燃料及び排空気を導出するとともに、上記シール部にシ
ール用窒素ガスを導入するように構成された燃料電池に
よる発電装置において、上記シール部から不純物含有窒
素ガスを導出し、この不純物含有窒素ガスに上記酸素極
から導出した排空気を混合し、この混合ガスから窒素ガ
スを精製分離して上記発電装置の窒素使用個所に供給す
るものである（請求項１）。As a means for solving the above-mentioned problems, the present invention comprises a fuel cell main body having a fuel electrode and an oxygen electrode, and a sealing portion for sealing the fuel cell main body from the outside, A fuel gas is introduced into the fuel electrode, an oxygen-containing gas is introduced into the oxygen electrode, exhaust fuel and exhaust air are respectively derived from each electrode, and nitrogen gas for sealing is introduced into the seal portion. In the power generator using the fuel cell, the impurity-containing nitrogen gas is led out from the seal part, the exhaust air derived from the oxygen electrode is mixed with the impurity-containing nitrogen gas, and the nitrogen gas is purified and separated from the mixed gas. The power is supplied to a portion of the power generation device where nitrogen is used (claim 1).
【００１２】この方法では、上記不純物を除去した窒素
ガスの少なくとも一部を一旦貯蔵しておき、後にこの貯
蔵ガスを上記発電個所の窒素使用個所に供給する（請求
項２）ことが、より好ましい。In this method, it is more preferable to temporarily store at least a part of the nitrogen gas from which the impurities have been removed, and to supply the stored gas to a nitrogen use point of the power generation point later. .
【００１３】また本発明は、上記方法を実施するための
装置として、燃料極及び酸素極を有する燃料電池本体
と、この燃料電池本体を外部からシールするシール部と
を備え、上記燃料極に燃料ガスを導入して上記酸素極に
酸素含有ガスを導入し、各極からそれぞれ排燃料及び排
空気を導出するとともに、上記シール部にシール用窒素
ガスを導入するように構成された燃料電池による発電装
置において、上記シール部から不純物含有窒素ガスを導
出して上記発電装置の窒素使用個所に供給するための窒
素循環通路と、上記シール部から導出した不純物含有窒
素ガスに上記酸素極から導出された富窒素ガスを混合さ
せるための富窒素ガス導入通路と、上記窒素循環通路中
に設けられ、上記不純物含有窒素ガスと上記富窒素ガス
との混合ガスから窒素ガスを精製分離する窒素分離装置
とを備えたものである（請求項３）。According to the present invention, there is provided an apparatus for performing the above method, comprising: a fuel cell main body having a fuel electrode and an oxygen electrode; and a sealing portion for sealing the fuel cell main body from the outside. A fuel cell configured to introduce a gas to introduce an oxygen-containing gas into the oxygen electrode, derive exhaust fuel and exhaust air from each electrode, and introduce a sealing nitrogen gas into the seal portion. In the device, a nitrogen circulation passage for deriving the impurity-containing nitrogen gas from the seal portion and supplying it to the nitrogen use point of the power generation device, and the impurity-containing nitrogen gas derived from the seal portion is derived from the oxygen electrode. A nitrogen-rich gas introduction passage for mixing the nitrogen-rich gas, and a nitrogen-rich gas introduction passage provided in the nitrogen circulation passage. It is obtained by a nitrogen separation unit for purifying separate gas (claim 3).
【００１４】この装置では、上記窒素分離装置で精製さ
れた窒素ガスの少なくとも一部を貯蔵する窒素ガスタン
クを備えることが、より好ましい（請求項４）。In this apparatus, it is more preferable to provide a nitrogen gas tank for storing at least a part of the nitrogen gas purified by the nitrogen separation apparatus (claim 4).
【００１５】また、上記不純物除去手段として上記循環
ガス中に含まれる不純物を酸化反応させる触媒燃焼装置
を備え、原燃料ガスを加熱することにより改質ガスを生
成する改質器とを備える場合、上記窒素循環通路におい
て上記触媒燃焼装置の上流側に設けられ、上記改質器か
ら排出される燃焼ガスと循環ガスとを熱交換させること
によりこの循環ガスを上記酸化反応が可能な温度まで加
熱する熱交換手段とを備えることにより、後述のような
より優れた効果が得られる（請求項５）。In the case where the apparatus further comprises a catalytic combustion device for oxidizing impurities contained in the circulating gas as the impurity removing means, and a reformer for generating a reformed gas by heating a raw fuel gas, The circulating gas is provided at an upstream side of the catalytic combustion device in the nitrogen circulating passage, and heats the circulating gas to a temperature at which the oxidation reaction is possible by exchanging heat between the combustion gas discharged from the reformer and the circulating gas. By providing the heat exchange means, more excellent effects as described below can be obtained (claim 5).
【００１６】[0016]
【作用】請求項１，３記載の方法及び装置によれば、燃
料電池シール部より導出された不純物含有窒素ガスから
不純物を除去し、これを窒素ガスの使用個所へ供給する
ようにしているので、発電装置の運転に必要な窒素ガス
の少なくとも一部は発電装置内で精製されることにな
る。すなわち、発電装置内で窒素ガスが循環され、再利
用されることとなり、その分、外部からの供給を要する
窒素ガス量が削減される。According to the method and the apparatus according to the first and third aspects, impurities are removed from the impurity-containing nitrogen gas derived from the fuel cell seal portion, and the impurities are supplied to the use place of the nitrogen gas. In addition, at least a part of the nitrogen gas necessary for the operation of the power generator is purified in the power generator. That is, the nitrogen gas is circulated and reused in the power generator, and the amount of nitrogen gas that needs to be supplied from the outside is reduced accordingly.
【００１７】より具体的には、上記シール部から導出し
た不純物含有窒素ガスに酸素極から導出した富窒素ガス
を混ぜ、この混合ガスから窒素ガスを分離精製するよう
にしているので、再利用される窒素ガス量をさらに増や
すことができる。More specifically, the nitrogen-containing gas derived from the sealing portion is mixed with the nitrogen-rich gas derived from the oxygen electrode, and the nitrogen gas is separated and purified from the mixed gas. Nitrogen gas amount can be further increased.
【００１８】また、請求項２，４記載の方法及び装置で
は、循環窒素ガスのうちの余剰分を一旦貯蔵しておき、
その後適当な時期に使用することにより、循環窒素ガス
をより有効に活用することができる。Further, in the method and the apparatus according to the second and fourth aspects, a surplus portion of the circulating nitrogen gas is temporarily stored,
By using it at an appropriate time thereafter, the circulating nitrogen gas can be more effectively utilized.
【００１９】ここで、上記不純物の除去手段として不純
物を酸化反応させる触媒燃焼装置を用いる場合には、上
記循環ガスを上記酸化反応が可能な温度まで予め加熱し
ておく必要があるが、請求項５記載の装置では、改質器
から排出された燃焼ガスと上記循環ガスとを熱交換させ
ることにより循環ガスを昇温させているので、特別な加
熱手段を付設することなく、また外部からほとんどエネ
ルギを供給することなく不純物除去を行うことができ
る。In the case where a catalytic combustion apparatus for oxidizing impurities is used as the means for removing the impurities, it is necessary to heat the circulating gas to a temperature at which the oxidizing reaction is possible. In the apparatus described in 5, the temperature of the circulating gas is increased by exchanging heat between the combustion gas discharged from the reformer and the circulating gas, so that no special heating means is provided, and almost no external heating means is provided. It is possible to remove impurities without supplying energy.
【００２０】[0020]
【実施例】本発明の実施例を図１〜図２に基づいて説明
する。なお、この実施例において発電装置全体の構成は
前記図３及び図４に示したものと同等であり、ここでは
その説明を省略する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the configuration of the entire power generator is the same as that shown in FIGS. 3 and 4, and the description thereof is omitted here.
【００２１】この実施例に示す装置では、図１に示すよ
うな燃料電池シール部３９が設けられ、このシール部３
９は、両極４０Ａ，４０Ｂを含む燃料電池本体と、燃料
電池３８外部とをシールするように構成されており、具
体的には、このシール部３９内に窒素ガスが供給される
ことにより上記シールが行われるようになっている。そ
して、この装置の特徴として、上記シール部３９から導
出したガスを再びシール部３９入口に循環させるための
窒素循環通路６６が設けられている。この窒素循環通路
６６の途中には、その上流側から順に、熱交換器６８、
熱交換器（熱交換手段）７０、触媒燃焼装置７２、上記
熱交換器６８、熱交換器７３、窒素分離装置７４、圧縮
機７６、及び弁７８が設けられている。In the device shown in this embodiment, a fuel cell seal portion 39 as shown in FIG.
Numeral 9 is configured to seal the fuel cell main body including the two electrodes 40A and 40B and the outside of the fuel cell 38. Specifically, when the nitrogen gas is supplied into the sealing portion 39, the sealing is performed. Is performed. As a feature of this device, a nitrogen circulation passage 66 for circulating the gas derived from the seal portion 39 to the inlet of the seal portion 39 again is provided. In the middle of the nitrogen circulation passage 66, a heat exchanger 68,
A heat exchanger (heat exchange means) 70, a catalytic combustion device 72, the heat exchanger 68, a heat exchanger 73, a nitrogen separation device 74, a compressor 76, and a valve 78 are provided.
【００２２】上記熱交換器７０は、上記シール部３８か
ら熱交換器６８を通じて導出されてきた循環ガスと、上
記改質器１８から通路８０及び弁８２を通じて導出され
てきた高温（この実施例では600℃以上)の燃焼ガスとを
熱交換させることにより、上記循環ガスを500℃以上ま
で加熱し、触媒燃焼装置７２に導入するものである。The heat exchanger 70 includes a circulating gas discharged from the seal portion 38 through the heat exchanger 68 and a high temperature discharged from the reformer 18 through the passage 80 and the valve 82 (in this embodiment, The circulating gas is heated to 500 ° C. or higher by exchanging heat with the combustion gas (600 ° C. or higher) and introduced into the catalytic combustion device 72.
【００２３】触媒燃焼装置７２は、触媒燃焼反応器から
なり、その内部には、例えばロジウムアルミナ触媒等、
ＣＨ4，Ｈ2，ＣＯといった不純物の酸化反応を促す触媒
が充填されており、これらの不純物がこの触媒燃焼反応
器内でＨ2Ｏとなり、もしくはＣＯ2とＨ2Ｏとに分解さ
れるようになっている。The catalytic combustion device 72 is composed of a catalytic combustion reactor, in which, for example, a rhodium alumina catalyst or the like is provided.
A catalyst that promotes the oxidation reaction of impurities such as CH 4 , H 2 , and CO is packed, and these impurities become H 2 O in the catalytic combustion reactor or are decomposed into CO 2 and H 2 O. It has become.
【００２４】窒素分離装置７４は、上記触媒反応装置７
２で不純物が除去された循環窒素ガスをさらに精製する
ものであり、この実施例では図２に示すような構成とな
っている。The nitrogen separation device 74 is provided with
In this embodiment, the circulating nitrogen gas from which the impurities have been removed is further purified. In this embodiment, the configuration is as shown in FIG.
【００２５】すなわち、この窒素分離装置７４は窒素Ｐ
ＳＡ装置で構成されており、窒素圧縮機１０４、活性炭
塔１０６、２塔の吸着塔１０８、吸着塔上流側の切換弁
１１０、吸着塔下流側の切換弁１１２、及び窒素ガス槽
１１４を備え、各吸着塔１０８には、例えばカーボンモ
レキュラシーブ等、酸素を優先的に吸着する吸着剤が充
填されている。That is, this nitrogen separation device 74
It comprises a SA compressor and includes a nitrogen compressor 104, an activated carbon tower 106, two adsorption towers 108, a switching valve 110 on the upstream side of the adsorption tower, a switching valve 112 on the downstream side of the adsorption tower, and a nitrogen gas tank 114, Each adsorption tower 108 is filled with an adsorbent that preferentially adsorbs oxygen, such as carbon molecular sieve.
【００２６】この装置において、吸着工程では、上記富
窒素ガス移送通路７４から導入された富窒素ガスが窒素
圧縮機１０４及び活性炭塔１０６を通じて吸着塔１０８
に導入されて酸素が吸着剤に吸着され、窒素ガスは窒素
ガス槽１１４内に貯蔵される。そして、この窒素ガス槽
１１４内の窒素ガスが圧縮機７６へ適宜導出されるよう
になっている。In this apparatus, in the adsorption step, the nitrogen-rich gas introduced from the nitrogen-rich gas transfer passage 74 is passed through the nitrogen compressor 104 and the activated carbon tower 106 to the adsorption tower 108.
And the oxygen is adsorbed by the adsorbent, and the nitrogen gas is stored in the nitrogen gas tank 114. Then, the nitrogen gas in the nitrogen gas tank 114 is appropriately led out to the compressor 76.
【００２７】また、この装置では、酸素極４０Ｂから通
路４１Ｂを通じて排出される燃焼ガス（すなわち既に酸
素が消費された富窒素ガス）の一部を上記窒素循環通路
６６へ導く富窒素ガス通路４１Ｃが設けられており、こ
の富窒素ガス通路４１Ｃの途中に弁８４が設けられてい
る。さらに、窒素循環通路６６においては、上記圧縮機
７６で圧縮された精製窒素ガスの一部を貯蔵するための
窒素ガスタンク８８が設けられ、その上流側及び下流側
に弁８６，９０が設けられており、この窒素ガスタンク
８８内の窒素ガスが上記弁９０を通じて上記シール部３
８以外の窒素使用個所、例えば昇圧対象個所やパージ対
象個所等に適宜供給されるようになっている。Further, in this device, a nitrogen-rich gas passage 41C for guiding a part of the combustion gas discharged from the oxygen electrode 40B through the passage 41B (that is, the nitrogen-rich gas having already consumed oxygen) to the nitrogen circulation passage 66 is provided. A valve 84 is provided in the middle of the nitrogen-rich gas passage 41C. Further, in the nitrogen circulation passage 66, a nitrogen gas tank 88 for storing a part of the purified nitrogen gas compressed by the compressor 76 is provided, and valves 86 and 90 are provided upstream and downstream thereof. The nitrogen gas in the nitrogen gas tank 88 is supplied to the sealing portion 3 through the valve 90.
The nitrogen is supplied to a nitrogen use location other than 8 such as a pressurization target place and a purge target place.
【００２８】次に、この実施例装置の作用を説明する。Next, the operation of this embodiment will be described.
【００２９】装置始動当初、シール用窒素ガスは窒素貯
蔵装置６０から通路６２を通じて燃料電池３８のシール
部３９内に供給される。この燃料電池においては、その
本体内外の濃度差に起因して、ＣＨ4，Ｈ2，ＣＯ，ＣＯ
2，Ｏ2，Ｈ2Ｏといった不純物が燃料電池本体からシー
ル部３９へリークし、上記シール用窒素ガス内に混入す
る。そして、この不純物含有窒素ガスが貯蔵循環通路６
６を通じてシール部３９外へ導出される。At the beginning of the operation of the apparatus, nitrogen gas for sealing is supplied from the nitrogen storage device 60 into the seal portion 39 of the fuel cell 38 through the passage 62. In this fuel cell, CH 4 , H 2 , CO, CO
Impurities such as 2 , O 2 , and H 2 O leak from the fuel cell main body to the seal portion 39 and are mixed into the sealing nitrogen gas. Then, the nitrogen gas containing impurities is stored in the storage circulation passage 6.
It is led out of the seal part 39 through 6.
【００３０】この導出されたガスは、酸素極４０Ｂから
排出されて富窒素ガス通路４１Ｃにより導かれてきた燃
焼ガス（既に酸素が消費された富窒素ガス）と混合され
る。この混合ガスは、熱交換器６８を通った後、熱交換
器７０で改質器１８の燃焼ガスと熱交換することにより
酸化反応可能な温度（500℃以上）に加熱され、この高
温状態で触媒反応装置７２に導入される。この触媒反応
装置７２において、ＣＨ4，Ｈ2，ＣＯといった不純物が
酸化反応してそのガスが熱交換器６８，７３を通じて窒
素分離装置７４に導入されることにより、このガスから
さらに窒素ガスが分離精製される。このガスは、圧縮機
７６及び弁７８を通じて通路６２に戻され、シール用窒
素ガスとして再利用に供される。The derived gas is mixed with the combustion gas (nitrogen-rich gas having already consumed oxygen) discharged from the oxygen electrode 40B and led through the nitrogen-rich gas passage 41C. After passing through the heat exchanger 68, the mixed gas is exchanged with the combustion gas of the reformer 18 by the heat exchanger 70 to be heated to a temperature (500 ° C. or higher) at which an oxidation reaction is possible. It is introduced into the catalytic reactor 72. In the catalytic reactor 72, impurities such as CH 4 , H 2 , and CO are oxidized and the gas is introduced into the nitrogen separator 74 through the heat exchangers 68 and 73, whereby nitrogen gas is further separated from the gas. Purified. This gas is returned to the passage 62 through the compressor 76 and the valve 78, and is reused as a nitrogen gas for sealing.
【００３１】以上のように、この装置では、上記シール
部３９から導出した不純物含有ガスから不純物を除去し
ながらこのガスを循環させ、シール用ガスとして再利用
するようにしているので、外部から（図１では窒素貯蔵
装置６０から）供給しなければならない窒素ガス必要量
を大幅に削減することができる。従って、必要な窒素ガ
スを極めて安価に得ることができ、発電コストを大幅に
削減することができる。As described above, in this apparatus, this gas is circulated while removing impurities from the impurity-containing gas derived from the sealing portion 39, and is reused as a sealing gas. The amount of nitrogen gas that must be supplied (from the nitrogen storage device 60 in FIG. 1) can be greatly reduced. Therefore, the necessary nitrogen gas can be obtained at extremely low cost, and the power generation cost can be significantly reduced.
【００３２】しかも、この装置では、触媒燃焼装置７２
において不純物の酸化反応により不純物を除去する際、
改質器１８の排熱を利用して循環ガスを酸化反応可能温
度まで昇温させるようにしているので、特別な加熱手段
を要することなく、また外部からほとんどエネルギ供給
を行うことなく不純物の除去を行うことができる。Moreover, in this device, the catalytic combustion device 72
When removing impurities by oxidation reaction of impurities in
Since the exhaust gas of the reformer 18 is used to raise the temperature of the circulating gas to a temperature at which the oxidation reaction can be performed, the removal of impurities can be performed without requiring any special heating means and with little external energy supply. It can be performed.
【００３３】さらに、この装置では、シール部３９から
排出されるガスに加えて酸素極４０Ｂから排出される富
窒素ガスも循環させることにより、さらに多くの窒素ガ
スを再利用することができる。また、余剰の窒素ガスは
一旦窒素ガスタンク８８内に収容しておき、必要な時期
に適宜払い出すことにより、窒素ガスをより効率よく活
用することができ、運転コストをさらに削減することが
できる。Further, in this apparatus, more nitrogen gas can be reused by circulating the nitrogen-rich gas discharged from the oxygen electrode 40B in addition to the gas discharged from the seal portion 39. In addition, surplus nitrogen gas is temporarily stored in the nitrogen gas tank 88, and is appropriately dispensed at a necessary time, so that the nitrogen gas can be used more efficiently and the operating cost can be further reduced.
【００３４】なお、この装置では上記触媒燃焼装置７２
に加えて窒素分離装置７４を設置しているが、不純物が
全て触媒燃焼装置７２で処理できるものである場合に
は、窒素分離装置７４は省略することも可能である。In this apparatus, the catalytic combustion device 72 is used.
In addition to the above, a nitrogen separation device 74 is provided. However, if all impurities can be treated by the catalytic combustion device 72, the nitrogen separation device 74 can be omitted.
【００３５】また、本発明は以上の実施例に限定される
ものでなく、例として次のような態様をとることも可能
である。Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may take the following forms as examples.
【００３６】(1) 上記各実施例において熱交換器７０で
循環ガスを加熱する温度は、含有不純物を酸化反応させ
ることが可能な温度以上に設定すればよく、その温度は
含有不純物の種類に応じて適宜設定すればよい。また、
このような温度まで加熱するのに改質器１８の排熱だけ
では不十分な場合には、補助的に外部から熱供給を行う
ようにすればよい。(1) In each of the above embodiments, the temperature at which the circulating gas is heated by the heat exchanger 70 may be set to a temperature higher than the temperature at which the contained impurities can be oxidized, and the temperature depends on the type of the contained impurities. What is necessary is just to set suitably. Also,
If the exhaust heat of the reformer 18 alone is not sufficient to heat to such a temperature, heat may be supplementarily supplied from the outside.
【００３７】(2) 上記実施例では、窒素分離装置７４と
して窒素を優先的に吸着する装置を用いているが、残さ
れた不純物がほとんど酸素のみである場合には、この窒
素分離装置７４として酸素を優先的に吸着する装置（例
えば吸着剤としてモレキュラシーブを備えた装置）を用
いることも可能である。この場合、窒素分離装置７４で
酸素を吸着除去した残りのガスを圧縮機７６に導出する
ようにすればよい。(2) In the above embodiment, a device for preferentially adsorbing nitrogen is used as the nitrogen separation device 74. However, when the remaining impurities are almost only oxygen, the nitrogen separation device 74 is used. It is also possible to use a device that preferentially adsorbs oxygen (for example, a device equipped with molecular sieve as an adsorbent). In this case, the remaining gas from which oxygen has been adsorbed and removed by the nitrogen separation device 74 may be led to the compressor 76.
【００３８】(3) 本発明において、窒素分離装置７４に
は、上記吸着装置の他、高分子膜をはじめとする分離膜
装置等を適用することも可能である。この分離膜装置に
は、窒素及び酸素のいずれか一方（一般には酸素）のみ
を透過するものを用いるようにすればよい。(3) In the present invention, in addition to the above adsorption device, a separation membrane device such as a polymer membrane can be applied to the nitrogen separation device 74. What is necessary is just to use what permeate | transmits only one of nitrogen and oxygen (generally oxygen) for this separation membrane apparatus.
【００３９】[0039]
【発明の効果】以上のように本発明は、燃料電池シール
部より導出された不純物含有窒素ガスから不純物を除去
し、これを窒素ガスの使用個所へ供給するようにしてい
るので、このような窒素ガスの循環、再利用により、発
電装置の運転に必要な窒素ガスの少なくとも一部は発電
装置内で精製することができる。従って、従来のように
必要な窒素ガスを全て外部から供給し、使用済みのガス
をそのまま排気する場合に比べ、外部からの供給を要す
る窒素ガス量を削減でき、これによって発電コストを下
げることができる。As described above, according to the present invention, impurities are removed from the impurity-containing nitrogen gas derived from the fuel cell seal portion, and the impurities are supplied to the use place of the nitrogen gas. By circulating and reusing the nitrogen gas, at least a part of the nitrogen gas necessary for the operation of the power generator can be purified in the power generator. Therefore, it is possible to reduce the amount of nitrogen gas that needs to be supplied from the outside, thereby reducing the power generation cost, as compared with the case where all the necessary nitrogen gas is supplied from the outside and the used gas is exhausted as it is as in the conventional case. it can.
【００４０】さらに、上記シール部から導出した不純物
含有窒素ガスに酸素極から導出した富窒素ガスを混ぜ、
この混合ガスから窒素ガスを分離精製するようにしてい
るので、再利用される窒素ガス量をさらに増やすことが
できる効果がある。Further, nitrogen-rich gas derived from the oxygen electrode is mixed with impurity-containing nitrogen gas derived from the seal portion,
Since the nitrogen gas is separated and purified from the mixed gas, there is an effect that the amount of the reused nitrogen gas can be further increased.
【００４１】また、請求項２，４記載の方法及び装置で
は、循環窒素ガスのうちの余剰分を一旦貯蔵しておき、
その後適当な時期に使用することにより、循環窒素ガス
をより有効に活用することができる効果がある。In the method and the device according to the second and fourth aspects, the surplus portion of the circulating nitrogen gas is temporarily stored,
By using it at an appropriate time thereafter, there is an effect that the circulating nitrogen gas can be more effectively utilized.
【００４２】ここで、上記不純物の除去手段として不純
物を酸化反応させる触媒燃焼装置を用いる場合、請求項
５記載の装置では、改質器から排出された燃焼ガスと上
記循環ガスとを熱交換させることにより循環ガスを上記
酸化反応可能な温度まで加熱するようにしているので、
特別な加熱手段を付設することなく、また外部からほと
んどエネルギを供給することなく、上記不純物の除去を
行うことができ、さらにコストを低減させることができ
る効果がある。In the case where a catalytic combustion apparatus for oxidizing impurities is used as the means for removing impurities, the apparatus according to claim 5 exchanges heat between the combustion gas discharged from the reformer and the circulating gas. As a result, the circulating gas is heated to a temperature at which the oxidation reaction is possible,
The above-mentioned impurities can be removed without providing any special heating means or supplying almost no external energy, and the cost can be further reduced.
【図１】本発明の実施例における発電装置の要部を示す
フローシートである。FIG. 1 is a flow sheet showing a main part of a power generator according to an embodiment of the present invention.
【図２】上記発電装置における窒素分離装置を示すフロ
ーシートである。FIG. 2 is a flow sheet showing a nitrogen separation device in the power generation device.
【図３】従来の発電装置の一例を示すフローシートであ
る。FIG. 3 is a flow sheet showing an example of a conventional power generation device.
【図４】上記発電装置の要部を示すフローシートであ
る。FIG. 4 is a flow sheet showing a main part of the power generation device.
【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）は上記発電装置における窒
素ガスの消費期間及び消費量を示すグラフである。5 (a), 5 (b) and 5 (c) are graphs showing a consumption period and a consumption amount of nitrogen gas in the power generation device.
１８ 改質器 ３８ 燃料電池 ３９ シール部 ４０Ａ 燃料極 ４０Ｂ 酸素極 ４１Ｃ 富窒素ガス導入通路 ６６ 窒素循環通路 ６８ 空気供給通路 ７０ 熱交換器（熱交換手段） ７４ 窒素分離装置 ８８ 窒素ガスタンク Reference Signs List 18 reformer 38 fuel cell 39 seal portion 40A fuel electrode 40B oxygen electrode 41C nitrogen-rich gas introduction passage 66 nitrogen circulation passage 68 air supply passage 70 heat exchanger (heat exchange means) 74 nitrogen separator 88 nitrogen gas tank
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新海 洋 川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電 機株式会社内 (72)発明者 宮川 裕 神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号 株 式会社神戸製鋼所 神戸本社内 (72)発明者 上山 剛由 神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号 株 式会社神戸製鋼所 神戸本社内 (72)発明者 井上 邦博 神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号 株 式会社神戸製鋼所 神戸本社内 (56)参考文献 特開 昭61−203575（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−276576（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Hiroshi Shinkai 1-1-1, Tanabe-Nitta, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi Inside Fuji Electric Machinery Co., Ltd. (72) Inventor Hiroshi Miyakawa 1-3-18, Wakihama-cho, Chuo-ku, Kobe-shi. Kobe Steel, Ltd.Kobe Head Office (72) Inventor Takeyoshi Ueyama 1-3-18 Wakihamacho, Chuo-ku, Kobe City Kobe Steel Co., Ltd.Kobe Head Office (72) Inventor Kunihiro Inoue Wakihama, Chuo-ku, Kobe City 1-3-18, Kobe Kobe Steel, Ltd. Kobe Head Office (56) References JP-A-61-203575 (JP, A) JP-A-3-276576 (JP, A) (58) Int.Cl. 7 , DB name) H01M 8/04
Claims (5)
と、この燃料電池本体を外部からシールするシール部と
を備え、上記燃料極に燃料ガスを導入して上記酸素極に
酸素含有ガスを導入し、各極からそれぞれ排燃料及び排
空気を導出するとともに、上記シール部にシール用窒素
ガスを導入するように構成された燃料電池による発電装
置において、上記シール部から不純物含有窒素ガスを導
出し、この不純物含有窒素ガスに上記酸素極から導出し
た排空気を混合し、この混合ガスから窒素ガスを精製分
離して上記発電装置の窒素使用個所に供給することを特
徴とする燃料電池シール用窒素ガスの再生方法。A fuel cell main body having a fuel electrode and an oxygen electrode; and a sealing portion for sealing the fuel cell main body from the outside. A fuel gas is introduced into the fuel electrode, and an oxygen-containing gas is supplied to the oxygen electrode. Introducing the exhausted fuel and the exhaust air from each of the electrodes, and introducing nitrogen gas containing impurities from the seal portion in a fuel cell power generator configured to introduce a sealing nitrogen gas into the seal portion. Then, the impurity-containing nitrogen gas is derived from the oxygen electrode.
Mixed exhaust gas, and purify nitrogen gas from this mixed gas.
A method for regenerating nitrogen gas for a fuel cell seal, wherein the nitrogen gas is supplied to a portion of the power generation device where nitrogen is used .
スの再生方法において、上記不純物を除去した窒素ガス
の少なくとも一部を一旦貯蔵しておき、後にこの貯蔵ガ
スを上記発電個所の窒素使用個所に供給することを特徴
とする燃料電池シール用窒素ガスの再生方法。 2. The method for regenerating nitrogen gas for a fuel cell seal according to claim 1, wherein said impurity-removed nitrogen gas is used.
At least part of the storage
To supply nitrogen to the above-mentioned power generation stations
A method for regenerating nitrogen gas for a fuel cell seal.
と、この燃料電池本体を外部からシールするシール部と
を備え、上記燃料極に燃料ガスを導入して上記酸素極に
酸素含有ガスを導入し、各極からそれぞれ排燃料及び排
空気を導出するとともに、上記シール部にシール用窒素
ガスを導入するように構成された燃料電池による発電装
置において、上記シール部から不純物含有窒素ガスを導
出して上記発電装置の窒素使用個所に供給するための窒
素循環通路と、上記シール部から導出した不純物含有窒
素ガスに上記酸素極から導出された富窒素ガスを混合さ
せるための富窒素ガス導入通路と、上記窒素循環通路中
に設けられ、上記不純物含有窒素ガスと上記富窒素ガス
との混合ガスから窒素ガスを精製分離する窒素分離装置
とを備えたことを特徴とする燃料電池シール用窒素ガス
の再生装置。3. A fuel cell body having a fuel electrode and an oxygen electrode.
And a sealing portion for sealing the fuel cell body from the outside
A fuel gas is introduced into the fuel electrode and the fuel gas is introduced into the oxygen electrode.
Introduce oxygen-containing gas, and discharge fuel and
Extract air and seal nitrogen for sealing.
Power generation device with fuel cell configured to introduce gas
Nitrogen gas containing impurities from the seal section
To supply nitrogen to the above-mentioned power generation equipment where nitrogen is used.
Element circulation passage and the impurity-containing nitrogen
Nitrogen-rich gas derived from the oxygen electrode
And a nitrogen-rich gas introduction passage for causing
The impurity-containing nitrogen gas and the nitrogen-rich gas
Separation equipment for purifying and separating nitrogen gas from mixed gas with water
An apparatus for regenerating nitrogen gas for a fuel cell seal, comprising:
スの再生装置において、上記窒素分離装置で精製された
窒素ガスの少なくとも一部を貯蔵する窒素ガスタンクと
を備えたことを特徴とする燃料電池シール用窒素ガスの
再生装置。4. A nitrogen gas for sealing a fuel cell according to claim 3.
In the nitrogen regeneration device
A nitrogen gas tank for storing at least a portion of the nitrogen gas;
An apparatus for regenerating nitrogen gas for a fuel cell seal, comprising:
用窒素ガスの再生装置において、上記不純物除去手段と
して上記循環ガス中に含まれる不純物を酸化反応させる
触媒燃焼装置を備えるとともに、原燃料ガスを加熱する
ことにより改質ガスを生成する改質器と、上記窒素循環
通路において上記触媒燃焼装置の上流側に設けられ、上
記改質器から排出される燃焼ガスと循環ガスとを熱交換
させることによりこの循環ガスを上記酸化反応が可能な
温度まで加熱する熱交換手段とを備えたことを特徴とす
る燃料電池シール用窒素ガスの再生装置。The reproducing apparatus 5. A method according to claim 3 or 4, wherein the fuel cell sealing nitrogen gas, provided with a catalytic combustion apparatus for the oxidation reaction of the impurities contained in the circulating gas as the impurity removal unit, the raw fuel gas And a reformer that generates a reformed gas by heating the gas, and a heat exchanger is provided between the combustion gas discharged from the reformer and the circulating gas, provided in the nitrogen circulation passage upstream of the catalytic combustion device. And a heat exchange means for heating the circulating gas to a temperature at which the oxidation reaction can be performed.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP32451593A JP3349802B2 (en) | 1993-12-22 | 1993-12-22 | Method and apparatus for regenerating nitrogen gas for fuel cell sealing |
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| JPH07183042A JPH07183042A (en) | 1995-07-21 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1993
- 1993-12-22 JP JP32451593A patent/JP3349802B2/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|
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