JP3743119B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料ガスを改質して水素ガスを電池本体に供給するようにした燃料電池発電システムの改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、水やアルコール類などの燃料がもっている化学エネルギーを燃やして熱に変換することなしに、電池内で、燃料,酸化剤(空気,酸素など)をそれぞれカソード,アノードにおける電子をやりとりする電極反応を行わせ、全体として燃料の燃焼反応と同じ形の反応を行わせるようにした燃料電池は、高い熱交換効率を発揮することができるので、病院,学校,ビル等の施設の電力源として応用されつつある。
【0003】
図4は、従来の固体高分子型燃料電池発電システム(100X)の構成を概略的に示す配管系統図である。同図において、(101) は電池本体を示し、該電池本体(101) の内部には、カソード(102) と、アノード(103) とが設けられている。また、(120) は取り入れた外気を圧縮して電池本体(101) 等に送り込むための空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(124) はポンプ(123) 等を介して送られる水を貯留するタンク、(126) はガス圧縮機(122) から送られる都市ガスと、ポンプ(125) を介してタンク(124) から送られる水とを反応させて改質ガスを生成するための改質器、(127a,127b) は改質器(126) で発生した改質ガスを変成するための高温変成器及び低温変成器、(128) は変成器(127b)から出る改質ガス中のCOガスをさらに酸化させた後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応器をそれぞれ示す。また、(131) は電池冷却水を放熱させるための放熱器、(132) は上記改質器(126) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(136) はカソード(102) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(137) はアノード(103) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器をそれぞれ示す。そして、各凝縮器(131,136,137) で生成された水は上記タンク(124) に戻される一方、気体は外部に排出されるように構成されている。
【0004】
また、燃料電池発電システム(100X)内には改質器(126) に水を供給するための水供給系(140) が設けられている。この水供給系(140) の水流通路(141) には、ポンプ(125) と水処理装置(142) とが介設されている。
【0005】
さらに、改質器(126) の出口に設けられた第1熱交換器(151) と、高温変成器(127a)の出口に設けられた第2熱交換器(152) と、低温変成器(127b)の出口に設けられた第3熱交換器(153) と、部分酸化反応器(128) の出口に設けられた第4熱交換器(154) とが配設されていて、各熱交換器(151,152,153,154) には、改質ガスが流れる通路に介設されたガス側熱交換コイルと、上記水流通路(141) に介設された水側熱交換コイルとが収納されている。すなわち、この水側熱交換コイルとガス側熱交換コイルとによって、改質ガスと水流通路(141) の水との熱交換を行って改質ガスの冷却と排熱の回収とを行うように構成されている。なお、(155) は電池本体(101) のアノード(103) 、カソード(102) から排出されて改質器(126) に送られるアノード排ガス及びカソード排ガスと改質器(126) から排出される燃焼排ガスとの熱交換を行うための第5熱交換器を示す。
【0006】
さらに、(134) は脱硫器(121) を経た都市ガスと水流通路(141) の水とを混合させるための混合器、(135) は空気圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(127b)から出るガスとを混合させるための混合器をそれぞれ示す。また、改質器(126) 内には、アノード排ガスとカソード排ガスとを受け入れるための排ガス室(111) と、アノード排ガスとカソード排ガスとを燃焼させるための燃焼室(112) と、混合器(134) から送られる都市ガス及びスチームとの混合ガスを反応させて改質ガスを生成するための改質触媒層(113) とが設けられている。上記排ガス室(111) 、燃焼室(112) 及び改質触媒層(113) により、改質器用燃焼器(110X)が構成されている。
【0007】
次に、上記燃料電池発電システム(100X)における動作を説明する。
【0008】
まず、水供給系(140) において、タンク(124) から排出される水が、水処理装置(142) 、第4熱交換器(154) 、第3熱交換器(153) 、第2熱交換器(152) 、第1熱交換器(151) を順に経て加熱されスチームとなって、混合器(134) に送られる。混合器(134) では、ガス圧縮機(122) から送られる脱硫された都市ガスと、水供給系(140) から送られるスチームとが混合され、改質器(126) 内の改質器用燃焼器(110X)に入る。一方、電池本体(101) のアノード(103) からは水素ガスを含むアノードガスが送られ、カソード(102) からは水蒸気及び空気を含むカソード排ガスが送られ、両者が排ガス室(111) で混合される。そして、改質器用燃焼器(110X)において、燃焼室(112) で排ガスが燃焼され、改質触媒層(113) 内で触媒の存在の下で都市ガス及びスチームが加熱されて、主としてCO2 ガスと水素ガスとを含む改質ガスが生成される。
【0009】
その後、この改質ガスが、高温変成器(127a)、低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) を経るにつれて、COガス成分を減じられた後、電池本体(101) に送られる。ただし、部分酸化反応器(128) において、低温変成器(127b)から出る改質ガスに空気圧縮機(120) から送られる空気を混合させてCOガスをさらに酸化させている。そして、電池本体(101) で、部分酸化反応器(128) から送られる水素と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素とを結合させて、そのときに生じるイオンをカソード(102) ,アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得られる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池発電システムでは、改質器(126) ,高温変成器(127a),低温変成器(127b),部分酸化反応器(128) 等の反応器が互いに分離して配置されている。これは、各反応器(126,127a,127b,128) における反応温度が異なるために当然の構成である。
【0011】
しかしながら、このように各反応器(126,127a,127b,128) が互いに分離しているために、各反応器(126,127a,127b,128) を個別に断熱材で覆う必要があるなど、燃料電池発電システム全体の容量が大きくなり、しかも熱損失も大きいという問題があった。
【0012】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、各反応器間の反応に悪影響を及ぼすことなく各反応器を集約させうる手段を講ずることにより、全体としてコンパクト化され熱損失も小さい燃料電池発電システムを提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明が講じた手段は、改質器や各反応器を中空プレート状に形成して、これらを積層するようにしたものである。
【0014】
本発明の第1の燃料電池発電システムは、請求項1に記載されているように、水素と酸素とをアノード(103) ,カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料を水の存在下で燃焼させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のCOガスを減ずるための反応を行う反応器とを備えた燃料電池発電システムを前提とする。そして、上記改質器(126) は、原料から上記改質ガスを生成するための改質触媒層(113) と、上記改質触媒層(113) を加熱するための燃焼室(112) と、上記燃焼室(112) に上記アノード(103) から排出されるアノード排ガス及びカソード排ガスを供給するためのガス供給部とを有し、上記改質触媒層(113) 、燃焼室(112) 及びガス供給部は、それぞれ中空プレート状に設けられて、全体として3層に積層されている。
【0015】
請求項1の発明特定事項は、図2に記載されている。請求項1により、改質器(126) が全体として3層の積層構造になっているので、内部における伝熱効率が高くなり、熱損失が小さくなる。したがって、燃料電池システム全体としてもコンパクト化されるとともに、発電効率が向上する。
【0016】
また、請求項1に記載の燃料電池発電システムでは、上記ガス供給部を、最下層の全体を占めるカソード排ガス室(115) と、該カソード排ガス室(115) の上の中間層で上記燃焼室(112) の側方に配置されアノード排ガスを受ける燃焼触媒層(116) とにより構成し、上記燃焼室(112) を中間層の上記燃焼触媒層(116) の側方に配置し、上記改質触媒層(113) を上記燃焼触媒層(116) 及び燃焼室(112) の上となる最上層に配置している
【0017】
これにより、アノード排ガスが燃焼触媒層(116) で燃焼して高温になってから燃焼室(112) に供給されるので、燃焼室(112) 内での燃焼をスムーズに行わせる機能を有する改質器(126) をコンパクトに構成することが可能になる。
【0018】
本発明の第2の燃料電池発電システムは、請求項2に記載されているように、水素と酸素とをアノード(103) ,カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料を水の存在下で燃焼させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のCOガスを減ずるための反応を行う少なくとも2つの反応器と、上記改質器(126) ,各反応器及び電池本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流通路(180) と、上記改質器(126) に供給される水が流れる水流通路(141) とを備えた燃料電池発電システムを前提とする。そして、上記少なくとも2つの反応器は、それぞれ中空プレート状に設けられ、上記水流通路(141) の水が流通する中空プレート状の水容器を挟んで積層されている。
【0019】
請求項2〜7の発明特定事項は、図1及び図2に記載されている。請求項2により、各反応器を個別に断熱材で覆う必要がないので、燃料電池発電システム全体がコンパクト化される。また、伝熱効率も向上するので、水流通路(141) を利用した排熱の回収効率及び改質ガスの冷却効果が共に増大する。
【0020】
上記反応器については、以下の請求項3〜6のような態様がある。
【0021】
請求項3に記載されているように、請求項2に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器を、変成器(127) 及び部分酸化反応器(128) とすることができる。
【0022】
請求項4に記載されているように、請求項2に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器を、水容器(147) を挟んで積層された高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)とすることができる。
【0023】
請求項5に記載されているように、請求項2に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器を、それぞれ水容器(147,146) を挟んで積層された高温変成器(127a),低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) とすることができる。
【0024】
請求項6に記載されているように、請求項2に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器を、水容器(146) を挟んで積層された低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) とすることができる。
【0025】
請求項7に記載されているように、請求項3,5又は6に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記部分酸化反応器(128) の上に、上記水流通路(141) の水が流れる中空プレート状の水容器(145) と、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流れる中空プレート状のガス容器(183) とが積層することができる。
【0026】
これにより、電池本体(101) に供給される改質ガスの冷却を行いながら、部分酸化反応器(128) の反応熱を回収することができる。
【0027】
請求項8に記載されているように、請求項4,5又は6に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記水容器(146又は147)に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水が流通するコイルを収納してなる熱交換器(152,153) を設けてもよい。
【0028】
請求項9に記載されているように、請求項7に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記水容器(145) 及びガス容器(183) に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水が流通するコイルを収納してなる熱交換器(154) を設けてもよい。
【0029】
請求項10に記載されているように、請求項4又は5に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記改質器(126) を中空プレート状に設け、上記改質器(126) と上記高温変成器(127a)とを、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流れる中空プレート状のガス容器(181) と、上記水流通路(141) の水及び原料ガスが流通する中空プレート状の原料送出容器(182) とを挟んで積層することができる。
【0030】
これにより、燃料電池発電システム全体がさらにコンパクトになる。
【0031】
本発明の第3の燃料電池発電システムは、請求項11に記載されているように、水素と酸素とをアノード(103) ,カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料を水の存在下で燃焼させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のCOガスを減ずるための反応を行う少なくとも2つの反応器と、上記改質器(126) ,各反応器及び電池本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流通路(180) と、上記改質器(126) に供給される水が流れる水流通路(141) とを備えた燃料電池発電システムを前提とする。そして、上記改質器(126) 及び上記変成器(127) は中空プレート状に設けられており、上記ガス流通路 (180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路 (141) の水及び原料ガスが流通するコイルを収納してなるを備えている
【0032】
これにより、ガス容器(181) を流れる改質ガスと、熱交換器 (151) のコイルを流れる原料及び水との間で効率の高い熱交換が行われるので、改質器(126) から出てくる高温の改質ガスが冷却されるとともに、原料及び水が予備加熱され改質器(126) 内における改質反応が促進される。
【0033】
請求項12に記載されているように、請求項10に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記2つの中空プレート状ガス容器(181) 及び原料送出容器(182) に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水及び原料ガスが流通するコイルを収納してなる熱交換器(151) を設けることができる。
【0034】
請求項13に記載されているように、請求項2,3,4,5,6,7,8,9,10,11又は12に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記電池本体(101) のカソード(102) の排ガスを上記改質器(126) に流すためのカソード排ガス供給路と、上記電池本体(101) のアノード(103) の排ガスを上記改質器(126) に流すためのアノード排ガス供給路と、上記改質器(126) の燃焼排ガスを排出するための燃焼排ガス排出路と、上記カソード排ガス供給路に介設される第1ガス容器(155a)と、上記燃焼ガス排出路に介設される第2ガス容器(155b)と、上記アノード排ガス供給路に介設される第3ガス容器(155c)とをさらに設け、上記第1〜第3ガス容器(155a,155b,155c)を順に積層することができる。
【0035】
これにより、電池本体(101) の排ガスを改質反応用の加熱源として利用する際に、排ガス供給系を積層体に組み込んで燃焼排ガスの熱を熱源の一部として利用することが可能となる。
【0036】
請求項14に記載されているように、請求項13に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記改質器(126) 、及び各反応器及び各ガス容器(155a〜155c)を、内部のガスの温度が高いものを中央部に、内部のガスの温度が低いものを外縁部に配置しながら、積層一体化することが好ましい。
【0037】
これにより、燃料電池システム全体が極めてコンパクトにまとめられ、しかも熱損失が小さくなって発電効率も極めて高くなる。
【0038】
請求項15に記載されているように、請求項2,3,4,5,6,7,8,9,10,11又は12に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器のうち少なくともいずれか1つには、水流通路(141) に介設されるコイルを収納することができる。
【0039】
これにより、各反応器内をより確実に冷却して所望の温度に制御することが可能になる。
【0040】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る固体高分子型燃料電池発電システム(100A)の構成を概略的に示す斜視図である。図1には、電池本体及びその周辺の部材の図示が省略されているが、図4に示すと同様の部材が設けられている。
【0041】
図1において、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(134) はガス圧縮機(122) から送られる都市ガスとタンク(124) から水流通路(141) を介して送られる水とを混合するための混合器、(126) は混合器(134) から送られる都市ガスとスチームとを反応させて改質ガスを生成するための改質器、(127a,127b) は改質器(126) で生成された改質ガス中のCOガスを減ずるための高温変成器及び低温変成器、(128) は低温変成器(127b)から出る改質ガス中のCOガスをさらに酸化させた後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応器をそれぞれ示す。また、(135) は空気圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(127b)から出るガスとを混合させるための混合器、(145,146,147) は、それぞれ水流通路(141) に介設された第1〜第3水容器、(181) 及び(183) は改質ガス流通路(180) に介設された改質ガス受入容器及び改質ガス送出容器、(182) は改質器(126) に供給される都市ガス及びスチームが流通する原料送出容器をそれぞれ示す。
【0042】
ここで、本実施形態の第1の特徴は、上記改質ガス受入容器(181)、原料送出容器(182) 、高温変成器(127a)、第3水容器(147) 、低温変成器(127b)、第2水容器(146) 、部分酸化反応器(128) 、第1水容器(147) 及び改質ガス送出容器(183) はいずれも中空のプレート状容器であり、それぞれ下から順に積層された一体型構造をしている点である。
【0043】
また、本実施形態の第2の特徴は、第5熱交換器(155) が図4に示すような熱交換コイルを容器内に収納して構成されているのではなく、を積層して構成されている点である。ただし、第2燃焼排ガス容器(155d)はなくてもよい。第1燃焼排ガス容器(155b)のみでも、排熱の回収は可能だからである。
【0044】
なお、改質器(126) の構造は、上記図4に示す従来の燃料電池発電システム(100X)における改質器(126) と同じである。
【0045】
すなわち、本実施形態では、改質ガス受入容器(181) 及び原料送出容器(182) により、図4に示す第1熱交換器(151) と同じ機能が得られる。また、第1水熱交換器(145) 及び改質ガス送出容器(183) により図4に示す第4熱交換器(154) と同じ機能が得られる。さらに、第2水容器(146) 及び第3水容器(147) は高温変成器(127a)、低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) 内の改質ガスと熱交換を行うものであり、改質ガスを冷却すると共に排熱回収を行うという点で上記第2熱交換器(152) 及び第3熱交換器(153) と同じ機能を有するとともに、各反応器(127a,127b,128) を冷却する機能をも有する。
【0046】
次に、本実施形態に係る燃料電池発電システム(100A)の作動について、説明する。
【0047】
まず、水流通路(141) においては、タンクからの水が第1水熱交換器(145) 〜第3水熱交換器(157) を経て混合器(134) でガス圧縮機(122) から供給される都市ガスと混合された後、原料送出器(182) から改質器(126) に供給される。その間、各反応器(127a,127b,128) 等の改質ガスとの熱交換により、水はほぼスチーム状態となっている。一方、アノード排ガス容器(155a)を介して供給されるアノード排ガスと、カソード排ガス容器(155c)を介して供給されるカソード排ガスとが、排ガス室(111) で混合された後、燃焼室(112) で燃焼する。この燃焼によって、改質器(126) の改質触媒層(113) に入った都市ガスとスチームとが加熱されて、水素を多く含む改質ガスが生成される。その後、この改質ガスが、高温変成器(127a)、低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) を経るにつれて、COガス成分を減じられた後、電池本体(101) に送られる。この基本的なガスの流れは上記従来の燃料電池発電システム(100X)におけるガスの流れと同じである。
【0048】
また、改質器(126) の燃焼排ガスは、第5熱交換器(155) でアノード排ガス及びカソード排ガスとの熱交換によって冷却された後、タンクに貯溜される。
【0049】
この点も上記従来の燃料電池発電システム(100X)における燃焼排ガスの流れと同じである。
【0050】
本実施形態では、各反応器(127a,127b,128) 及び水容器(145,146,147) を積層した構造を有することにより、以下の効果を発揮することができる。
【0051】
第1に、各反応器(127a,127b,128) の周囲を個別に断熱材で覆う必要がなくなるので、装置全体がコンパクトになる。
【0052】
第2に、従来のようなコイルで熱交換を行うものに比べて、伝熱面積が拡大されるので、熱交換効率が向上し、装置の立ち上げ時間の短縮と装置全体のコンパクト化が可能である。
【0053】
第3に、冷却能力の大きい水で反応器(127a,127b,128) を冷却できるので、反応器(127a,127b,128) の過昇温を確実に防止しながら、排熱回収の効率が極めて高くなる。
【0054】
また、第5熱交換器(155) をもプレート状部材の積層構造としているので、伝熱面積の増大によって熱交換効率が拡大することで、アノード排ガス及びカソード排ガスによる燃焼排ガスの排熱回収効率が向上するとともに、装置全体をよりコンパクトにできる。
【0055】
(第2の実施形態)
図2は、第2の実施形態に係る燃料電池発電システム(100B) の構造を概略的に示す斜視図である。
【0056】
図2に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム(100B)は、上述の第1の実施形態に係る各反応器(127a,127b,128) 及び水容器(145,146,147) の積層体及び第5熱交換器(155) の積層体に加えて、改質器(126) をも積層構造として、全体を1つの積層体で構成したものである。
【0057】
すなわち、本実施形態の改質器(126) は、3層の積層構造を有している。最下層には、カソードからの窒素,酸素,水蒸気を主成分とするガスを受け入れるためのカソード排ガス室(115) が設けられている。中間層には、燃焼触媒層(116) と燃焼室(112) とが設けられている。また、最上層には、改質触媒層(113) が設けられている。そして、上記カソード排ガス室(115) の天井部には、カソード排ガスを上方の燃焼室(112) に供給するための多数の小孔が設けられている。この多数の小孔は、燃焼触媒層(116) に近い領域では密に燃焼触媒層(116) から離れた領域では粗に形成されている。つまり、改質触媒層(113) への都市ガス及びスチームの混合ガスの入口に近いほどカソード排ガスの供給量を多くして、多くの燃焼熱を発生させ吸熱と発熱のバランスをとるように構成されている。
【0058】
本実施形態の燃料電池システム(100B)におけるガスの流れ及び水の流れは上記第1の実施形態と同じである。ただし、本実施形態では、改質器(126) 内における電池本体(101) からのアノード排ガスとカソード排ガスの流れが第1の実施形態と異なる。
【0059】
電池本体(101) のカソード(102) からは空気(酸素,窒素)及び水蒸気を含むカソード排ガスが、カソード排ガス室(115) に送り込まれる。また、燃焼触媒層(116) には、アノード(103) から水素ガスを含むアノード排ガスが送られるとともに、図示しないが途中のガス配管で微量のカソード排ガス又は空気がアノード排ガスに添加される。ただし、この微量の空気の添加は必ずしも必要でない。そして、燃焼触媒層(116) で触媒の存在下アノード排ガスが燃焼して高温になって燃焼室(112) に供給される。一方、燃焼室(112) には、カソード排ガス室(115) から小孔を介してカソード排ガスが供給され、燃焼室(112) 内で両者が混合されて燃焼する。その結果、改質触媒層(113) 内で、改質触媒の存在の下で都市ガスが加熱されて、主としてCO2 ガスと水素ガスとを含む改質ガスが生成される。
【0060】
本実施形態によると、改質器(126) をも積層体に構成して、全体を1つの積層体としたことで、上記第1の実施形態と同じ効果をより顕著に発揮できるのに加えて、以下の効果を得ることができる。
【0061】
すなわち、改質器(126) が3つの層を重ねて形成されており、最下層にはカソード排ガス室(115) が、中間層には燃焼触媒層(116) 及び燃焼室(115) が、最上層に改質触媒層(113) がそれぞれ設けられているので、改質触媒層(113) を加熱する際の伝熱効果が大幅に大きくなる。したがって、従来のような容器内に燃焼器を設置した構造に比べ、改質器(126) における改質反応の効率が大幅に向上する。しかも、改質器(126) の構造は、ほとんど図4に示す従来の改質器(126) 内の改質器用燃焼器(110X)として機能する部分のみからなり、極めてコンパクトな構造とすることができる。
【0062】
ただし、本実施形態における燃焼触媒層(116) は必ずしも必要ではなく、従来のような排ガス室(111) 、燃焼室(112) 及び改質触媒層(113) をプレート状部材にして3者を積層したものでもよい。
【0063】
また、改質器(126) における反応温度は800℃程度であり、高温変成器(127a)における反応温度は400℃程度であり、低温変成器(127b)における反応温度は200℃程度であり、部分酸化反応器(128) における反応温度は140℃程度である。つまり、積層体の中心部には高温で反応する反応器を配置し、低温で反応する反応器を外縁部に配置するようにしているので、熱損失が極めて小さくなり、燃料電池発電システムの発電効率の大幅な向上を図ることができる。
【0064】
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。
【0065】
図3(a)は、上記第1,第2の実施形態における水容器(145,146,147) に代えて熱交換器として機能するプレート状部材を設けた例を示す。すなわち、改質ガスが流れるガス流通路(180) に介設される中空のプレート状容器内に水流通路(141) に介設される水コイルを収納して、全体として従来の図4に示す第1〜第4熱交換器(151,152,153,154) として機能させるようにした例である。ただし、図3(a),(b)には、コイルにフィンが設けられているが、このフィンは必ずしもなくてもよい。
【0066】
図3(b)は、プレート状に形成された各反応器(127a,127b,128) 内に水流通路(141) に介設されるコイルを収納した例を示す。
【0067】
上記第1又は第2の実施形態における水容器(145,146,147) を図3(a)に示す構造とすることにより、各反応器(126,127a,127b,128) を出た改質ガスと水との熱交換によって、排熱回収と改質ガスの冷却とを行うことができる。
【0068】
また、反応器(127a,127b,128) を図3(b)に示す構造とすることにより、反応器(127a,127b,128) 内で水と改質ガスとの熱交換が行われるので、反応器(127a,127b,128) をより効果的に冷却でき、COガスの過昇温に起因する水素ガスの酸化反応等の無駄な発熱及び燃料電池の原料物質の無駄な消費を確実に抑制できる。したがって、コンパクトな構造でありながら、発電効率が特に高い燃料電池発電システムを構成することができる。
【0069】
なお、上記各実施形態において、変成器は必ずしも高温変成器(127a)と低温変成器(127b)とにより構成されている必要はなく、単一の変成器で構成されていてもよいものとする。
【0070】
【発明の効果】
請求項1〜15によれば、改質器,反応器,電池本体等を備えた燃料電池システムにおいて、各反応器や改質器を中空プレート状に設けてこれらを積層する構造としたので、燃料電池システムのコンパクト化と、熱損失の低減による発電効率の向上とを図ることができる。
【0071】
特に、改質器に改質反応用の水を供給する水流通路に介設されるプレート状の水容器を各反応器間に介在させるようにしたので、改質ガスの排熱の回収と改質ガスや反応器の冷却とを効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を概略的に示す配管系統図である。
【図2】 第2の実施形態に係る改質器用燃焼室の構造を概略的に示す斜視図である。
【図3】 第3の実施形態に係るプレート部材の構造を示す断面図である。
【図4】 従来の燃料電池発電システムの構成を概略的に示す配管系統図である。
【符号の説明】
100 燃料電池発電システム
101 電池本体
102 カソード
103 アノード
110 改質器用燃焼器
111 排ガス室
112 燃焼室
113 改質触媒層
115 カソード排ガス室
116 燃焼触媒層
120 空気圧縮機
121 脱硫器
122 ガス圧縮機
123 ポンプ
124 タンク
125 ポンプ
126 改質器
126a バーナー
127 変成器
128 部分酸化反応器
131 放熱器
132 凝縮器
136 凝縮器
137 凝縮器
140 水供給系
141 水流通路
142 水処理装置
145 第1水容器
146 第2水容器
147 第3水容器
151 第1熱交換器
152 第2熱交換器
153 第3熱交換器
154 第4熱交換器
155 第5熱交換器
155a カソード排ガス容器
155b 第1燃焼排ガス容器
155c アノード排ガス容器
155d 第2燃焼排ガス容器
181 改質ガス受入容器
182 原料送出容器
183 改質ガス送出容器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an improvement in a fuel cell power generation system in which raw material gas is reformed and hydrogen gas is supplied to a battery body.
[0002]
[Prior art]
  Conventionally, the fuel and oxidant (air, oxygen, etc.) exchange electrons at the cathode and anode, respectively, in the battery without burning the chemical energy of fuel such as water and alcohols into heat. A fuel cell that has an electrode reaction and a reaction of the same form as the combustion reaction of the fuel as a whole can exhibit high heat exchange efficiency, so that it is a power source for hospitals, schools, buildings, and other facilities. It is being applied as.
[0003]
  FIG. 4 is a piping system diagram schematically showing a configuration of a conventional polymer electrolyte fuel cell power generation system (100X). In the figure, reference numeral (101) denotes a battery body, and a cathode (102) and an anode (103) are provided inside the battery body (101). (120) compresses the outside air taken in.Battery body(101) is an air compressor for feeding into the gas etc., (121) is a desulfurizer for removing sulfur components in city gas, (122) is a gas compressor for compressing the desulfurized city gas to high pressure (124) is a tank for storing water sent via the pump (123) etc., (126) is city gas sent from the gas compressor (122) and from the tank (124) via the pump (125) Reformers for generating reformed gas by reacting with water to be sent, (127a, 127b) are a high temperature transformer and a low temperature transformer for modifying the reformed gas generated in the reformer (126) , (128) show partial oxidation reactors for further oxidizing the CO gas in the reformed gas coming out of the transformer (127b) and sending it to the battery body (101). Further, (131) is a radiator for dissipating the battery cooling water, (132) is a condenser for condensing water vapor generated in the reformer (126), and (136) is water vapor generated at the cathode (102). (137) denotes a condenser for condensing water vapor generated at the anode (103). The water generated in each condenser (131, 136, 137) is returned to the tank (124), while the gas is discharged to the outside.
[0004]
  Further, a water supply system (140) for supplying water to the reformer (126) is provided in the fuel cell power generation system (100X). A pump (125) and a water treatment device (142) are interposed in the water flow path (141) of the water supply system (140).
[0005]
  Furthermore, a first heat exchanger (151) provided at the outlet of the reformer (126), a second heat exchanger (152) provided at the outlet of the high temperature transformer (127a), and a low temperature transformer ( The third heat exchanger (153) provided at the outlet of 127b) and the fourth heat exchanger (154) provided at the outlet of the partial oxidation reactor (128) are arranged, and each heat exchange The chambers (151, 152, 153, 154) accommodate a gas side heat exchange coil interposed in the passage through which the reformed gas flows and a water side heat exchange coil interposed in the water flow passage (141). That is, the water-side heat exchange coil and the gas-side heat exchange coil perform heat exchange between the reformed gas and the water in the water passage (141) to cool the reformed gas and recover the exhaust heat. It is configured. Note that (155) is discharged from the anode exhaust gas and cathode exhaust gas that are discharged from the anode (103) and cathode (102) of the battery body (101) and sent to the reformer (126) and the reformer (126). The 5th heat exchanger for performing heat exchange with combustion exhaust gas is shown.
[0006]
  Furthermore, (134) is a mixer for mixing the city gas passed through the desulfurizer (121) and the water in the water flow passage (141), and (135) isairThe mixers for mixing the outside air sent from the compressor (120) and the gas exiting from the low temperature transformer (127b) are shown. The reformer (126) includes an exhaust gas chamber (111) for receiving anode exhaust gas and cathode exhaust gas, a combustion chamber (112) for burning anode exhaust gas and cathode exhaust gas, and a mixer ( 134) is provided with a reforming catalyst layer (113) for generating a reformed gas by reacting a mixed gas of city gas and steam sent from (134). The exhaust gas chamber (111), the combustion chamber (112), and the reforming catalyst layer (113) constitute a reformer combustor (110X).
[0007]
  Next, the operation in the fuel cell power generation system (100X) will be described.
[0008]
  First, in the water supply system (140), water discharged from the tank (124) is converted into a water treatment device (142), a fourth heat exchanger (154), a third heat exchanger (153), and a second heat exchange. The heat is passed through the furnace (152) and the first heat exchanger (151) in this order to form steam and sent to the mixer (134). In the mixer (134), the desulfurized city gas sent from the gas compressor (122) and the steam sent from the water supply system (140) are mixed and burned for the reformer in the reformer (126). Enter the vessel (110X). On the other hand, an anode gas containing hydrogen gas is sent from the anode (103) of the battery body (101), and a cathode exhaust gas containing water vapor and air is sent from the cathode (102), and both are mixed in the exhaust gas chamber (111). Is done. Then, in the reformer combustor (110X), the exhaust gas is combusted in the combustion chamber (112), and the city gas and steam are heated in the presence of the catalyst in the reforming catalyst layer (113), and mainly CO2.2 A reformed gas containing gas and hydrogen gas is generated.
[0009]
  Thereafter, as this reformed gas passes through the high temperature transformer (127a), the low temperature transformer (127b) and the partial oxidation reactor (128), the CO gas component is reduced and then sent to the battery body (101). . However, in the partial oxidation reactor (128), the CO gas is further oxidized by mixing the air sent from the air compressor (120) with the reformed gas coming out of the low temperature transformer (127b). Then, in the battery body (101), hydrogen sent from the partial oxidation reactor (128) is combined with oxygen in the air sent from the air compressor (120), and ions generated at that time are combined with the cathode (102 ) And electric power can be obtained by changing the charge to the anode (103).
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
  In the conventional fuel cell power generation system described above, reactors such as a reformer (126), a high temperature transformer (127a), a low temperature transformer (127b), and a partial oxidation reactor (128) are arranged separately from each other. . This is a natural configuration because the reaction temperature in each reactor (126, 127a, 127b, 128) is different.
[0011]
  However, since the reactors (126, 127a, 127b, 128) are separated from each other in this way, it is necessary to individually cover the reactors (126, 127a, 127b, 128) with a heat insulating material. There was a problem that the capacity of the entire power generation system was increased and heat loss was also large.
[0012]
  The present invention has been made in view of such a point, and the object of the present invention is to reduce the overall size and heat loss by taking measures that can aggregate the reactors without adversely affecting the reaction between the reactors. Is to provide a small fuel cell power generation system.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the means taken by the present invention is to form the reformer and each reactor in a hollow plate shape and laminate them.
[0014]
  According to a first fuel cell power generation system of the present invention, as described in claim 1, a battery main body (101) configured to cause an electrode reaction between hydrogen and oxygen at an anode (103) and a cathode (102). ), A reformer (126) for burning the raw material in the presence of water to generate a reformed gas containing hydrogen, and reducing the CO gas in the reformed gas exiting from the reformer (126) A fuel cell power generation system including a reactor for performing a reaction for the purpose is assumed. The reformer (126) includes a reforming catalyst layer (113) for generating the reformed gas from a raw material, and a combustion chamber (112) for heating the reforming catalyst layer (113). A gas supply unit for supplying anode exhaust gas and cathode exhaust gas discharged from the anode (103) to the combustion chamber (112), the reforming catalyst layer (113), the combustion chamber (112), and The gas supply units are each provided in a hollow plate shape, and are laminated in three layers as a whole.
[0015]
  Claim 1The invention-specific matters are described in FIG. According to claim 1, since the reformer (126) has a three-layer structure as a whole, the heat transfer efficiency in the interior is increased and the heat loss is reduced. Therefore, the fuel cell system as a whole is made compact and power generation efficiency is improved.
[0016]
  AlsoThe fuel cell power generation system according to claim 1.ThenThe gas supply unit is disposed on the side of the combustion chamber (112) in the cathode exhaust gas chamber (115) occupying the entire lowermost layer and an intermediate layer on the cathode exhaust gas chamber (115), and receives the anode exhaust gas. A combustion catalyst layer (116), the combustion chamber (112) is disposed on the side of the intermediate combustion catalyst layer (116), and the reforming catalyst layer (113) is disposed on the combustion catalyst layer (116). ) And the top layer above the combustion chamber (112)is doing.
[0017]
  As a result, the anode exhaust gas is combusted in the combustion catalyst layer (116) and is supplied to the combustion chamber (112) after reaching a high temperature, so that it has a function of smoothly performing the combustion in the combustion chamber (112). The mass device (126) can be configured compactly.
[0018]
  The second fuel cell power generation system of the present invention comprises:Claim 2In the battery body (101) configured to cause an electrode reaction between hydrogen and oxygen at the anode (103) and the cathode (102), the raw material is combusted in the presence of water to generate hydrogen. A reformer (126) for generating a reformed gas, at least two reactors for performing a reaction for reducing CO gas in the reformed gas exiting from the reformer (126), and the reformer A gas flow path (180) configured by sequentially connecting the reactor (126), each reactor, and the battery body (101) by gas piping, and a water flow path (water flow path through which water supplied to the reformer (126) flows) 141) is assumed. The at least two reactors are each provided in a hollow plate shape, and are stacked with a hollow plate-shaped water container through which water in the water flow passageway (141) flows.
[0019]
  Claims 2-7The invention-specific matters are described in FIG. 1 and FIG.Claim 2Therefore, it is not necessary to individually cover each reactor with a heat insulating material, so that the entire fuel cell power generation system is made compact. In addition, since the heat transfer efficiency is improved, both the exhaust heat recovery efficiency using the water flow passage (141) and the cooling effect of the reformed gas are increased.
[0020]
  For the reactor above,Claims 3-6There are the following aspects.
[0021]
  Claim 3As described inClaim 2In the fuel cell power generation system described in 1), the reactor may be a transformer (127) and a partial oxidation reactor (128).
[0022]
  Claim 4As described inClaim 2In the fuel cell power generation system described in 1), the reactor can be a high temperature transformer (127a) and a low temperature transformer (127b) stacked with a water container (147) interposed therebetween.
[0023]
  Claim 5As described inClaim 2In the fuel cell power generation system according to claim 1, the reactors are a high temperature transformer (127a), a low temperature transformer (127b), and a partial oxidation reactor (128) stacked with a water container (147,146) interposed therebetween, respectively. Can do.
[0024]
  Claim 6As described inClaim 2In the fuel cell power generation system described in (1), the reactor may be a low temperature transformer (127b) and a partial oxidation reactor (128) stacked with a water container (146) interposed therebetween.
[0025]
  Claim 7As described inClaim 3, 5 or 6In the fuel cell power generation system described in the above, a hollow plate-shaped water container (145) through which water in the water flow passage (141) flows and the gas flow passage (180) on the partial oxidation reactor (128). A hollow plate-like gas container (183) through which the reformed gas flows can be laminated.
[0026]
  Thus, the reaction heat of the partial oxidation reactor (128) can be recovered while cooling the reformed gas supplied to the battery body (101).
[0027]
  Claim 8As described inClaim 4, 5 or 6In the fuel cell power generation system according to claim 1, in place of the water container (146 or 147), water in the water flow path (141) is placed in a hollow plate-shaped container in which the reformed gas in the gas flow path (180) flows. There may be provided a heat exchanger (152, 153) containing a coil through which the gas flows.
[0028]
  Claim 9As described inClaim 7In the fuel cell power generation system according to claim 1, in place of the water container (145) and the gas container (183), the water flow passage (in the hollow plate-like container through which the reformed gas in the gas flow passage (180) flows. 141) may be provided with a heat exchanger (154) containing a coil through which water flows.
[0029]
  Claim 10As described inClaim 4 or 5The reformer (126) is provided in the shape of a hollow plate, and the reformer (126) and the high-temperature transformer (127a) are modified from the gas flow path (180). The hollow plate-shaped gas container (181) through which the quality gas flows and the hollow plate-shaped raw material delivery container (182) through which the water and the raw material gas flow through the water flow passage (141) can be stacked.
[0030]
  Thereby, the whole fuel cell power generation system becomes further compact.
[0031]
  The third fuel cell power generation system of the present invention is:Claim 11In the battery body (101) configured to cause an electrode reaction between hydrogen and oxygen at the anode (103) and the cathode (102), the raw material is combusted in the presence of water to generate hydrogen. A reformer (126) for generating a reformed gas, at least two reactors for performing a reaction for reducing CO gas in the reformed gas exiting from the reformer (126), and the reformer A gas flow path (180) configured by sequentially connecting the reactor (126), each reactor, and the battery body (101) by gas piping, and a water flow path (water flow path through which water supplied to the reformer (126) flows) 141) is assumed. The reformer (126) and the transformer (127) are provided in a hollow plate shape,The gas flow path (180) In the hollow plate-like container through which the reformed gas flows (141) It is equipped with a coil that circulates water and source gas..
[0032]
  Thereby, the reformed gas flowing through the gas container (181), andHeat exchanger (151) CoilSince the heat exchange between the raw material flowing through the water and the water is performed efficiently, the high-temperature reformed gas coming out of the reformer (126) is cooled, and the raw material and water are preheated to reform the reformer. The reforming reaction in (126) is promoted.
[0033]
  Claim 12As described inClaim 10In the fuel cell power generation system according to claim 1, in place of the two hollow plate gas containers (181) and the raw material delivery container (182), a hollow plate container in which the reformed gas in the gas flow passage (180) flows. A heat exchanger (151) comprising a coil through which water and raw material gas in the water flow passage (141) circulate can be provided.
[0034]
  Claim 13As described inClaim 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 or 12In the fuel cell power generation system described in the above, a cathode exhaust gas supply path for flowing exhaust gas from the cathode (102) of the battery body (101) to the reformer (126), and an anode (103) of the battery body (101) ) Exhaust gas supply passage for flowing the exhaust gas to the reformer (126), combustion exhaust gas discharge passage for discharging the combustion exhaust gas of the reformer (126), and the cathode exhaust gas supply passage. A first gas container (155a), a second gas container (155b) interposed in the combustion gas discharge path, and a third gas container (155c) interposed in the anode exhaust gas supply path The first to third gas containers (155a, 155b, 155c) can be sequentially stacked.
[0035]
  Thus, when the exhaust gas from the battery body (101) is used as a heating source for the reforming reaction, it becomes possible to incorporate the exhaust gas supply system into the laminate and use the heat of the combustion exhaust gas as part of the heat source. .
[0036]
  Claim 14As described inClaim 13In the fuel cell power generation system described in the above, the reformer (126), the reactors and the gas containers (155a to 155c), the one having a high internal gas temperature in the center, the internal gas temperature It is preferable to stack and integrate them while disposing a low one on the outer edge.
[0037]
  As a result, the entire fuel cell system is integrated in a very compact manner, and the heat loss is reduced and the power generation efficiency is extremely increased.
[0038]
  Claim 15As described inClaim 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 or 12In at least one of the reactors described above, a coil interposed in the water flow path (141) can be accommodated.
[0039]
  Thereby, the inside of each reactor can be cooled more reliably and controlled to a desired temperature.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
    (First embodiment)
  FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of a polymer electrolyte fuel cell power generation system (100A) according to a first embodiment. Although illustration of the battery main body and its peripheral members is omitted in FIG. 1, the same members as shown in FIG. 4 are provided.
[0041]
  In FIG. 1, (121) is a desulfurizer for removing sulfur components in city gas, (122) is a gas compressor for compressing the desulfurized city gas to high pressure, and (134) is a gas compressor. A mixer for mixing the city gas sent from (122) and the water sent from the tank (124) through the water passage (141), (126) is a city gas and steam sent from the mixer (134) (127a, 127b) are a high-temperature transformer and a low-temperature transformer for reducing CO gas in the reformed gas produced by the reformer (126). , (128) shows a partial oxidation reactor for further oxidizing the CO gas in the reformed gas coming out of the low temperature transformer (127b) and sending it to the battery body (101). And (135) isairMixers (145, 146, 147) for mixing the outside air sent from the compressor (120) and the gas exiting from the low temperature transformer (127b) are first to third water interposed in the water flow passage (141), respectively. Containers, (181) and (183) are reformed gas receiving containers and reformed gas delivery containers interposed in the reformed gas flow passage (180), and (182) is a city supplied to the reformer (126). The raw material delivery containers through which gas and steam circulate are shown respectively.
[0042]
  Here, the first feature of this embodiment is that the reformed gas receiving container (181), the raw material delivery container (182), the high temperature transformer (127a), the third water container (147), the low temperature transformer (127b). ), The second water container (146), the partial oxidation reactor (128), the first water container (147), and the reformed gas delivery container (183) are all hollow plate-like containers, which are stacked in order from the bottom. It is the point of having the integrated structure made.
[0043]
  In addition, the second feature of the present embodiment is that the fifth heat exchanger (155) is not formed by housing a heat exchange coil as shown in FIG. It is a point that has been. However, the second combustion exhaust gas container (155d) may not be provided. This is because the exhaust heat can be recovered using only the first combustion exhaust gas container (155b).
[0044]
  The structure of the reformer (126) is the same as that of the reformer (126) in the conventional fuel cell power generation system (100X) shown in FIG.
[0045]
  That is, in the present embodiment, the same function as the first heat exchanger (151) shown in FIG. 4 is obtained by the reformed gas receiving container (181) and the raw material delivery container (182). Further, the first water heat exchanger (145) and the reformed gas delivery container (183) provide the same function as the fourth heat exchanger (154) shown in FIG. In addition, the second water container (146) and the third water container(147)Is a heat exchange with the reformed gas in the high temperature transformer (127a), the low temperature transformer (127b) and the partial oxidation reactor (128), and the exhaust gas is recovered while cooling the reformed gas. Thus, it has the same function as the second heat exchanger (152) and the third heat exchanger (153), and also has a function of cooling each reactor (127a, 127b, 128).
[0046]
  Next, the operation of the fuel cell power generation system (100A) according to this embodiment will be described.
[0047]
  First, in the water passage (141), water from the tank passes through the first water heat exchanger (145) to the third water heat exchanger (157) in the mixer (134).gasAfter being mixed with the city gas supplied from the compressor (122), it is supplied from the raw material feeder (182) to the reformer (126). Meanwhile, the water is almost in a steam state by heat exchange with the reformed gas of each reactor (127a, 127b, 128) and the like. On the other hand, after the anode exhaust gas supplied via the anode exhaust gas container (155a) and the cathode exhaust gas supplied via the cathode exhaust gas container (155c) are mixed in the exhaust gas chamber (111), the combustion chamber (112 ) To burn. By this combustion, the city gas and steam that have entered the reforming catalyst layer (113) of the reformer (126) are heated, and a reformed gas containing a large amount of hydrogen is generated. Thereafter, as this reformed gas passes through the high temperature transformer (127a), the low temperature transformer (127b) and the partial oxidation reactor (128), the CO gas component is reduced and then sent to the battery body (101). . This basic gas flow is the same as the gas flow in the conventional fuel cell power generation system (100X).
[0048]
  The combustion exhaust gas from the reformer (126) is cooled by heat exchange with the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas in the fifth heat exchanger (155), and then stored in the tank.
[0049]
  This is also the same as the flow of combustion exhaust gas in the conventional fuel cell power generation system (100X).
[0050]
  In this embodiment, the following effects can be exhibited by having a structure in which the reactors (127a, 127b, 128) and the water containers (145, 146, 147) are stacked.
[0051]
  First, since it is not necessary to individually cover each reactor (127a, 127b, 128) with a heat insulating material, the entire apparatus becomes compact.
[0052]
  Secondly, the heat transfer area is expanded compared to conventional heat exchange using coils, improving heat exchange efficiency, shortening the start-up time of the equipment, and making the entire equipment compact. It is.
[0053]
  Third, because the reactor (127a, 127b, 128) can be cooled with water having a large cooling capacity, the efficiency of exhaust heat recovery can be improved while reliably preventing overheating of the reactor (127a, 127b, 128). Extremely high.
[0054]
  Further, since the fifth heat exchanger (155) also has a laminated structure of plate-like members, the heat exchange efficiency is increased by increasing the heat transfer area, so that the exhaust heat recovery efficiency of the combustion exhaust gas by the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas is increased. As a result, the entire apparatus can be made more compact.
[0055]
    (Second Embodiment)
  FIG. 2 is a perspective view schematically showing the structure of the fuel cell power generation system (100B) according to the second embodiment.
[0056]
  As shown in FIG. 2, the fuel cell power generation system (100B) according to the present embodiment includes a stack of reactors (127a, 127b, 128) and water containers (145, 146, 147) according to the first embodiment. In addition to the laminated body of the fifth heat exchanger (155), the reformer (126) is also made into a laminated structure, and the whole is constituted by one laminated body.
[0057]
  That is, the reformer (126) of the present embodiment has a three-layer laminated structure. The lowermost layer is provided with a cathode exhaust gas chamber (115) for receiving a gas mainly composed of nitrogen, oxygen and water vapor from the cathode. The intermediate layer is provided with a combustion catalyst layer (116) and a combustion chamber (112). Further, the reforming catalyst layer (113) is provided as the uppermost layer. A large number of small holes for supplying the cathode exhaust gas to the upper combustion chamber (112) are provided in the ceiling portion of the cathode exhaust gas chamber (115). The large number of small holes are densely formed in a region close to the combustion catalyst layer (116) and roughly in a region away from the combustion catalyst layer (116). In other words, the closer to the inlet of the mixed gas of city gas and steam to the reforming catalyst layer (113), the larger the supply amount of cathode exhaust gas, the more combustion heat is generated and the heat absorption and heat generation are balanced. Has been.
[0058]
  The gas flow and water flow in the fuel cell system (100B) of the present embodiment are the same as in the first embodiment. However, in the present embodiment, the flow of anode exhaust gas and cathode exhaust gas from the battery body (101) in the reformer (126) is different from that in the first embodiment.
[0059]
  Cathode exhaust gas containing air (oxygen, nitrogen) and water vapor is sent from the cathode (102) of the battery body (101) into the cathode exhaust gas chamber (115). In addition, anode exhaust gas containing hydrogen gas is sent from the anode (103) to the combustion catalyst layer (116), and a small amount of cathode exhaust gas or air is added to the anode exhaust gas through a gas pipe (not shown). However, the addition of this minute amount of air is not always necessary. Then, the anode exhaust gas burns in the presence of the catalyst in the combustion catalyst layer (116), becomes a high temperature, and is supplied to the combustion chamber (112). On the other hand, cathode exhaust gas is supplied to the combustion chamber (112) from the cathode exhaust gas chamber (115) through a small hole, and both are mixed and burned in the combustion chamber (112). As a result, the city gas is heated in the reforming catalyst layer (113) in the presence of the reforming catalyst, and mainly CO2.2 A reformed gas containing gas and hydrogen gas is generated.
[0060]
  According to the present embodiment, the reformer (126) is also configured as a stacked body, and the entire structure is made into one stacked body, so that the same effect as in the first embodiment can be exhibited more remarkably. Thus, the following effects can be obtained.
[0061]
  That is, the reformer (126) is formed by stacking three layers, the cathode exhaust gas chamber (115) being the lowermost layer, the combustion catalyst layer (116) and the combustion chamber (115) being the middle layer, Since the reforming catalyst layer (113) is provided in the uppermost layer, the heat transfer effect when heating the reforming catalyst layer (113) is greatly increased. Therefore, the efficiency of the reforming reaction in the reformer (126) is greatly improved as compared with a conventional structure in which a combustor is installed in a vessel. Moreover, the structure of the reformer (126) is composed of only a portion that functions as the reformer combustor (110X) in the conventional reformer (126) shown in FIG. Can do.
[0062]
  However, the combustion catalyst layer (116) in the present embodiment is not necessarily required, and the three members are made by using the exhaust gas chamber (111), the combustion chamber (112), and the reforming catalyst layer (113) as a plate-like member as in the prior art. It may be laminated.
[0063]
  The reaction temperature in the reformer (126) is about 800 ° C., the reaction temperature in the high temperature transformer (127a) is about 400 ° C., and the reaction temperature in the low temperature transformer (127b) is about 200 ° C., The reaction temperature in the partial oxidation reactor (128) is about 140 ° C. In other words, a reactor that reacts at a high temperature is arranged at the center of the laminate, and a reactor that reacts at a low temperature is arranged at the outer edge. The efficiency can be greatly improved.
[0064]
    (Third embodiment)
  Next, a third embodiment will be described.
[0065]
  FIG. 3A shows an example in which a plate-like member functioning as a heat exchanger is provided in place of the water container (145, 146, 147) in the first and second embodiments. That is, a water coil interposed in the water flow passage (141) is housed in a hollow plate-shaped container interposed in the gas flow passage (180) through which the reformed gas flows, and the whole is shown in FIG. This is an example of functioning as first to fourth heat exchangers (151, 152, 153, 154). However, although fins are provided in the coils in FIGS. 3A and 3B, these fins are not necessarily required.
[0066]
  FIG. 3 (b) shows an example in which a coil interposed in the water flow passage (141) is accommodated in each reactor (127a, 127b, 128) formed in a plate shape.
[0067]
  The water container (145, 146, 147) in the first or second embodiment has the structure shown in FIG. 3 (a), so that the reformed gas discharged from each reactor (126, 127a, 127b, 128) and water By heat exchange, exhaust heat recovery and reformed gas cooling can be performed.
[0068]
  In addition, since the reactor (127a, 127b, 128) has the structure shown in FIG. 3B, heat exchange between water and the reformed gas is performed in the reactor (127a, 127b, 128). Reactor (127a, 127b, 128) can be cooled more effectively, and wasteful heat generation such as oxidation reaction of hydrogen gas caused by excessive temperature rise of CO gas and wasteful consumption of raw material of fuel cell are surely suppressed it can. Therefore, a fuel cell power generation system with particularly high power generation efficiency can be configured while having a compact structure.
[0069]
  In each of the above-described embodiments, the transformer is not necessarily constituted by the high-temperature transformer (127a) and the low-temperature transformer (127b), and may be constituted by a single transformer. .
[0070]
【The invention's effect】
  Claims 1-15According to the fuel cell system having a reformer, a reactor, a battery main body, etc., each reactor and reformer are provided in a hollow plate shape and are stacked so that the fuel cell system is compact. And improvement of power generation efficiency by reducing heat loss.
[0071]
  In particular, since a plate-shaped water container interposed in the water flow path for supplying the reforming reaction water to the reformer is interposed between the reactors, the exhaust heat of the reformed gas is recovered and modified. The gas and the reactor can be cooled efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a piping system diagram schematically showing a configuration of a fuel cell power generation system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the structure of a reformer combustion chamber according to a second embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a structure of a plate member according to a third embodiment.
FIG. 4 is a piping system diagram schematically showing a configuration of a conventional fuel cell power generation system.
[Explanation of symbols]
  100 Fuel cell power generation system
  101 Battery body
  102 cathode
  103 anode
  110 Combustor for reformer
  111 Exhaust gas chamber
  112 Combustion chamber
  113 Reforming catalyst layer
  115 Cathode exhaust chamber
  116 Combustion catalyst layer
  120 air compressor
  121 Desulfurizer
  122 Gas compressor
  123 pump
  124 tanks
  125 pump
  126 reformer
  126a burner
  127 Transformer
  128 partial oxidation reactor
  131 Heatsink
  132 Condenser
  136 condenser
  137 condenser
  140 Water supply system
  141 Water passage
  142 Water treatment equipment
  145 1st water container
  146 Second water container
  147 3rd water container
  151 1st heat exchanger
  152 Second heat exchanger
  153 3rd heat exchanger
  154 4th heat exchanger
  155 Fifth heat exchanger
  155a Cathode exhaust gas container
  155b First combustion exhaust gas container
  155c Anode exhaust gas container
  155d Second flue gas container
  181 Reformed gas receiving container
  182 Raw material delivery container
  183 Reformed gas delivery container

Claims (15)

水素と酸素とをアノード(103) ,カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料と水を反応させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のCOガスを減ずるための反応を行う反応器とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
上記改質器(126) は、原料から上記改質ガスを生成するための改質触媒層(113) と、上記改質触媒層(113) を加熱するための燃焼室(112) と、上記燃焼室(112) に上記アノード(103) から排出されるアノード排ガス及びカソード排ガスを供給するためのガス供給部とを有し、
上記改質触媒層(113) 、燃焼室(112) 及びガス供給部は、それぞれ中空プレート状に設けられて、全体として3層に積層され
上記ガス供給部は、最下層の全体を占めるカソード排ガス室 (115) と、該カソード排ガス室 (115) の上の中間層で上記燃焼室 (112) の側方に配置されアノード排ガスを受ける燃焼触媒層 (116) とにより構成され、
上記燃焼室 (112) は、中間層の上記燃焼触媒層 (116) の側方に配置されており、
上記改質触媒層 (113) は、上記燃焼触媒層 (116) 及び燃焼室 (112) の上となる最上層に配置されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
A battery body (101) configured to cause an electrode reaction between hydrogen and oxygen at an anode (103) and a cathode (102), and reforming to generate a reformed gas containing hydrogen by reacting the raw material with water A fuel cell power generation system comprising: a reactor (126); and a reactor for performing a reaction for reducing CO gas in the reformed gas exiting from the reformer (126).
The reformer (126) includes a reforming catalyst layer (113) for generating the reformed gas from a raw material, a combustion chamber (112) for heating the reforming catalyst layer (113), and the above A gas supply unit for supplying anode exhaust gas and cathode exhaust gas discharged from the anode (103) to the combustion chamber (112);
The reforming catalyst layer (113), the combustion chamber (112), and the gas supply unit are each provided in a hollow plate shape, and are laminated in three layers as a whole .
The gas supply unit is a cathode exhaust gas chamber (115) occupying the entire lowermost layer , and an intermediate layer above the cathode exhaust gas chamber (115) is disposed on the side of the combustion chamber (112) and receives the anode exhaust gas A catalyst layer (116) ,
The combustion chamber (112) is disposed on the side of the combustion catalyst layer (116) in the intermediate layer ,
The fuel cell power generation system, wherein the reforming catalyst layer (113) is disposed in an uppermost layer above the combustion catalyst layer (116) and the combustion chamber (112) .
水素と酸素とをアノード(103) ,カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料と水を反応させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のCOガスを減ずるための反応を行う少なくとも2つの反応器と、上記改質器(126) ,各反応器及び電池本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流通路(180) と、上記改質器(126) に供給される水が流れる水流通路(141) とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
上記少なくとも2つの反応器は、それぞれ中空プレート状に設けられ、上記水流通路(141) の水が流通する中空プレート状の水容器を挟んで積層されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
A battery body (101) configured to cause an electrode reaction between hydrogen and oxygen at an anode (103) and a cathode (102), and reforming to generate a reformed gas containing hydrogen by reacting the raw material with water A reactor (126), at least two reactors for performing a reaction for reducing CO gas in the reformed gas exiting from the reformer (126), the reformer (126), each reactor, and a battery body A fuel cell power generation system comprising a gas flow passage (180) configured by sequentially connecting (101) with gas pipes and a water flow passage (141) through which water supplied to the reformer (126) flows ,
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the at least two reactors are each provided in a hollow plate shape, and are stacked with a hollow plate-shaped water container through which water in the water flow passage (141) flows.
請求項2に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器は、変成器(127) 及び部分酸化反応器(128) であることを特徴とする燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 2 ,
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the reactor is a transformer (127) and a partial oxidation reactor (128).
請求項2に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器は、水容器(147) を挟んで積層された高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)であることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell power generation system according to claim 2 ,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the reactor is a high temperature transformer (127a) and a low temperature transformer (127b) stacked with a water container (147) interposed therebetween.
請求項2に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器は、それぞれ水容器(147,146) を挟んで積層された高温変成器(127a),低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) であることを特徴とする燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 2 ,
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the reactor is a high-temperature transformer (127a), a low-temperature transformer (127b), and a partial oxidation reactor (128) stacked with water containers (147, 146) interposed therebetween.
請求項2に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器は、水容器(146) を挟んで積層された低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) であることを特徴とする燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 2 ,
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the reactor is a low temperature transformer (127b) and a partial oxidation reactor (128) stacked with a water container (146) interposed therebetween.
請求項3,5又は6に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記部分酸化反応器(128) の上には、上記水流通路(141) の水が流れる中空プレート状の水容器(145) と、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流れる中空プレート状のガス容器(183) とが積層されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 3, 5 or 6 ,
Above the partial oxidation reactor (128), a hollow plate-shaped water container (145) through which water in the water flow passage (141) flows, and a hollow plate shape through which the reformed gas in the gas flow passage (180) flows. A fuel cell power generation system characterized by being laminated with a gas container (183).
請求項4,5又は6に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記水容器(146又は147)に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水が流通するコイルを収納してなる熱交換器(152,153) を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 4, 5 or 6 ,
Instead of the water container (146 or 147), a coil through which water in the water flow path (141) flows is housed in a hollow plate-shaped container in which the reformed gas in the gas flow path (180) flows. A fuel cell power generation system provided with a heat exchanger (152,153).
請求項7に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記水容器(145) 及びガス容器(183) に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水が流通するコイルを収納してなる熱交換器(154) を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 7 ,
Instead of the water container (145) and the gas container (183), a coil through which water in the water flow passage (141) flows is provided in a hollow plate-shaped container in which the reformed gas in the gas flow passage (180) flows. A fuel cell power generation system provided with a heat exchanger (154) that is housed.
請求項4又は5に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記改質器(126) は、中空プレート状に設けられており、
上記改質器(126) と上記高温変成器(127a)とは、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流れる中空プレート状のガス容器(181) と、上記水流通路(141) の水及び原料ガスが流通する中空プレート状の原料送出容器(182) とを挟んで積層されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 4 or 5 ,
The reformer (126) is provided in a hollow plate shape,
The reformer (126) and the high temperature transformer (127a) include a hollow plate-shaped gas container (181) through which the reformed gas in the gas flow passage (180) flows, and water in the water flow passage (141). And a fuel cell power generation system, wherein the fuel cell power generation system is stacked with a hollow plate-shaped raw material delivery container (182) through which the raw material gas flows.
水素と酸素とをアノード(103) ,カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料と水を反応させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のCOガスを減ずるための反応を行う少なくとも2つの反応器と、上記改質器(126) ,各反応器及び電池本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流通路(180) と、上記改質器(126) に供給される水が流れる水流通路(141) とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
上記改質器(126) 及び上記変成器(127) は、中空プレート状に設けられており、上記ガス流通路 (180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路 (141) の水及び原料ガスが流通するコイルを収納してなる熱交換器 (151) を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
A battery body (101) configured to cause an electrode reaction between hydrogen and oxygen at an anode (103) and a cathode (102), and reforming to generate a reformed gas containing hydrogen by reacting the raw material with water A reactor (126), at least two reactors for performing a reaction for reducing CO gas in the reformed gas exiting from the reformer (126), the reformer (126), each reactor, and a battery body A fuel cell power generation system comprising a gas flow passage (180) configured by sequentially connecting (101) with gas pipes and a water flow passage (141) through which water supplied to the reformer (126) flows ,
The reformer (126) and the transformer (127) are provided in a hollow plate shape, and the water flow passage ( in the hollow plate container in which the reformed gas in the gas flow passage (180) flows. fuel cell power generation system characterized by water and the raw material gas comprises a heat exchanger formed by accommodating the coil (151) for circulation of 141).
請求項10に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記2つの中空プレート状ガス容器(181) 及び原料送出容器(182) に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水及び原料ガスが流通するコイルを収納してなる熱交換器(151) を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 10 ,
Instead of the two hollow plate-shaped gas containers (181) and the raw material delivery container (182), the water flow path (141) is placed in a hollow plate-shaped container in which the reformed gas in the gas flow path (180) flows. A fuel cell power generation system comprising a heat exchanger (151) containing a coil through which water and source gas flow.
請求項2,3,4,5,6,7,8,9,10,11又は12に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記電池本体(101) のカソード(102) の排ガスを上記改質器(126) に流すためのカソード排ガス供給路と、
上記電池本体(101) のアノード(103) の排ガスを上記改質器(126) に流すためのアノード排ガス供給路と、
上記改質器(126) の燃焼排ガスを排出するための燃焼排ガス排出路と、
上記カソード排ガス供給路に介設される第1ガス容器(155a)と、
上記燃焼ガス排出路に介設される第2ガス容器(155b)と、
上記アノード排ガス供給路に介設される第3ガス容器(155c)とをさらに備え、
上記第1〜第3ガス容器(155a,155b,155c)が順に積層されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 or 12 .
A cathode exhaust gas supply passage for flowing exhaust gas from the cathode (102) of the battery body (101) to the reformer (126);
An anode exhaust gas supply path for flowing exhaust gas from the anode (103) of the battery body (101) to the reformer (126);
A combustion exhaust gas discharge passage for discharging the combustion exhaust gas of the reformer (126);
A first gas container (155a) interposed in the cathode exhaust gas supply path;
A second gas container (155b) interposed in the combustion gas discharge path;
A third gas container (155c) interposed in the anode exhaust gas supply path,
The fuel cell power generation system, wherein the first to third gas containers (155a, 155b, 155c) are sequentially stacked.
請求項13に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記改質器(126) 、及び各反応器及び各ガス容器(155a〜155c)は、内部のガスの温度が高いものを中央部に、内部のガスの温度が低いものを外縁部に配置しながら、積層一体化されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 13 ,
The reformer (126), and the reactors and gas containers (155a to 155c) are arranged such that the one with the high internal gas temperature is arranged at the center and the one with the low internal gas temperature is arranged at the outer edge. However, a fuel cell power generation system characterized by being laminated and integrated.
請求項2,3,4,5,6,7,8,9,10,11又は12に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器のうち少なくともいずれか1つには、水流通路(141) に介設されるコイルが収納されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 or 12 .
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein a coil interposed in the water passage (141) is accommodated in at least one of the reactors.
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