JP3941159B2 - 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、改質器おける改質反応の熱源としてアノード排ガスとカソード排ガスを利用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３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燃料電池(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、上記水側流通路(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、両者が改質器用燃焼器(110X)において、燃焼室(112) で燃焼され、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】
しかしながら、上記従来の燃料電池発電システムでは、電池本体(101) の余剰燃料である水素ガスを含むアノード排ガスを、空気及び水蒸気を含むカソード排ガスと混合させて改質器(126) の燃焼室(112) で燃焼させて、改質触媒層(113) の熱源として使用しているが、この余剰燃料はカロリーが低いためにカロリーを別途補充する手段が必要となる。そこで、従来の燃料電池発電システムでは、カロリーの高い都市ガスをも燃焼させており、そのために、燃料電池発電システム全体の発電効率が悪化していた。また、従来のバーナーのみを用いた燃焼器では、火炎が改質器の壁に接触することによる管壁の劣化及び過剰加熱により、改質触媒層(113) の温度が上昇し、この温度上昇によって改質触媒層(113) の劣化が促進されるという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、アノード排ガスにカロリーを補充することなく低カロリーで燃焼させうる手段を講ずることにより、燃料電池発電システムの発電効率の向上と改質触媒層の寿命の向上を図ることにある。
【００１２】
【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、アノード排ガスを触媒の下で予備的に燃焼させてから燃焼室内でカソードガスとともに燃焼させるように燃料電池発電システムを構成することにある。具体的には、請求項１〜９に記載されている燃料電池発電システムに関する手段を講じている。
【００１３】
本発明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、アノード(103) ，カソード(102) を有する電池本体(101) に改質器(126) から少なくとも水素を含む改質ガスと少なくとも酸素を含む他のガスとを供給し、上記改質ガス及び他のガスをアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された固体高分子型の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) 内に配置され、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、燃焼触媒を有することなく上記改質器(126) 内に配置され、上記改質触媒層(113) を加熱するための燃焼室(112) と、上記アノード(103) から排出されるアノード排ガスの全量が供給され、該アノード排ガスを昇温させるように予備的に燃焼させた後上記燃焼室(112) に供給するための燃焼触媒層(116) と、上記燃焼触媒層 (116) から上記燃焼室 (112) に供給されたアノード排ガスが空気と共に燃焼するように上記燃焼室 (112) に空気を供給するための空気供給部 (115) とを備え、上記アノード排ガスが上記燃焼触媒層 (116) で空気と共に予備的に燃焼するように上記アノード排ガスに上記空気供給部 (115) から供給するための空気の一部である微量の空気を添加する微量 空気添加手段をさらに備えている。
【００１４】
請求項１及び下記の各請求項の発明特定事項は、図１及び図２に記載されている。請求項１により、改質器(126) 内の燃焼室(112) でアノード排ガスが燃焼する前に燃焼触媒層(116) でアノード排ガスが触媒の存在の下に予備的に燃焼して、高温状態になってから燃焼室(112) に供給される。したがって、燃焼室(112) ではカロリーの低いガスのみでスムーズに燃焼が行われ、カロリーの高いガスを燃焼させる必要がなくなる。したがって、改質触媒層(113) 内の温度が低下して、改質触媒層(113) の寿命が改善されることになる。
【００１５】
また、請求項１により、アノード排ガスに空気が微量添加されて燃焼触媒層(116) での予備的な燃焼が容易に行われる。そして、アノード排ガスとカソード排ガスとが燃焼室で燃焼するので、さらに低カロリー状態での燃焼が可能となる。したがって、改質触媒層(113) の寿命がさらに長くなる。
【００１６】
請求項２に記載されているように、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記微量空気添加手段を、改質器(126) とアノード(103) とを接続するガス配管に空気を導入するように構成された空気添加器(156) とすることができる。
【００１７】
請求項１又は２における微量空気添加手段は、請求項３に記載されているように、外気をアノード排ガスに添加するものであってもよいし、請求項４に記載されているように、上記カソード(102) から排出されるカソード排ガスをアノード排ガスに添加するものであってもよい。
【００１８】
請求項５に記載されているように、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記空気供給部(115) を上記燃焼室(112) に接して設け燃焼室(112) との境界壁に形成された多数の小孔(117a)を介して燃焼室(112) に空気を供給するように構成し、上記多数の小孔(117a)を上記改質触媒層(113) への原料の入口側ほど開口率が高くなるように構成することができる。
【００１９】
これにより、吸熱反応である改質反応がより促進される改質触媒層(113) の入口側ほど燃焼室(112) の火力が強くなるので、改質触媒層(113) 全体の温度分布が均一化され、改質触媒層(113) の寿命もより長くなるとともに、燃料電池発電システム全体の発電効率も向上する。
【００２０】
請求項６に記載されているように、請求項５に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記微量空気添加手段を、上記改質器(126) 内の空気供給部(115) から燃焼触媒層(116) に空気を導入するように構成することができる。
【００２１】
これにより、外部に空気添加器を設けなくても改質器(126) の内部でアノード排ガスに空気を予備的に添加することが可能になるので、燃料電池発電システムがコンパクトになる。
【００２２】
請求項７に記載されているように、請求項１，２，３，４，５又は６に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記空気供給部(115) を、上記カソード(102) から排出されるカソード排ガスを供給するものとすることができる。
【００２３】
これにより、カソード排ガス中に含まれる空気をアノード排ガスに添加したものを改質触媒層(113) の加熱源として利用することが可能になる。
【００２４】
【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燃料電池(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、(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。
【００２５】
また、燃料電池発電システム(100A)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。
【００２６】
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、上記水側流通路(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配設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) に送られるガスと改質器(126) から排出される排気ガスとの熱交換を行うための第５熱交換器を示す。
【００２７】
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。
【００２８】
ここで、本実施形態の特徴部分について説明する。
【００２９】
上記アノード(103) から改質器(126) にアノード排ガスを供給する通路には、アノード排ガスにカソード排ガス（又は空気）を微量添加するための空気添加器(156) が介設されている。図示しないが、空気添加器(156) は、カソード排ガスが流れる通路からアノード排ガスが流れる通路にカソードガスを強制的に流すための圧縮機，ブロワー等の手段を備えている。ただし、アノード排ガスが流れる通路の方が低圧となるような条件下では、圧縮機，ブロワー等は必要でない。
【００３０】
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、カソード排ガスを受け入れる空気供給部としてのカソード排ガス室(115) と、アノード排ガスを燃焼するための触媒を有する燃焼触媒層(116) とが設けられている。上記燃焼室(112) ，改質触媒層(113) ，カソード排ガス室(115) 及び燃焼触媒層(116) により改質器(126) が構成されているが、この改質器(126) は、ほとんど図４に示す従来の改質器用燃焼器(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なっている。
【００３１】
なお、上記空気添加器(156) においてカソード排ガスでなく外気を微量添加するように構成してもよい。また、本実施形態では、空気添加器(156) を第５熱交換器(155) の上流側に配置しているが、空気添加器(156) は第５熱交換器(155) の下流側に配置してもよい。
【００３２】
次に、上記燃料電池発電システム(100) における動作を説明する。
【００３３】
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(110A)に入る。一方、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、アノード(103) からは水素ガスを含むアノード排ガスが送られ、空気添加器(156) でこのアノード排ガスにカソード排ガスが微量添加された後、燃焼触媒層(116) に送り込まれる。そして、燃焼触媒層(116) において燃焼触媒の存在下で微量の空気（カソード排ガス）が添加されたアノード排ガスが燃焼して高温になる。また、燃焼室(112) には、燃焼触媒層(116) から高温になったアノード排ガスが供給され、カソード排ガス室(111) から小孔（図示せず）を介してカソード排ガスが供給されて、両者が混合されて燃焼する。その結果、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反応し、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。
【００３４】
その後の改質ガスの流れは上記従来の燃料電池発電システム(100X)における流れと同じである。
【００３５】
本実施形態では、アノード排ガスが燃焼触媒の存在の下、燃焼触媒層(116) 内で予備的に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) において、燃焼がスムーズに行われカロリーの低いガスだけで燃焼が可能になる。したがって、燃料電池発電システム全体の発電効率が向上するとともに、改質触媒層(113) の温度上昇が抑制され、改質触媒層(113) の寿命が長くなる。従来では、バーナーによる加熱で一部熱流束の速い部分が生じ適正温度（８００℃）をその部分の改質触媒が越えてしまうことにより耐久性の悪化を招いていたが、本方式では均一な燃焼が行えるため、温度むらが生じにくく改質触媒(113) の寿命が長くなる。
【００３６】
特に、アノード排ガスにカソード排ガス（空気）を微量添加して燃焼触媒層(116) で燃焼させているので、さらに低カロリーのガスだけで燃焼が可能になる。たとえば、燃焼触媒層(116) でアノード排ガスと微量のカソード排ガスとを予備的に燃焼させてから、このアノード排ガスを燃焼室(112) でカソード排ガスと共に燃焼させた場合には、燃焼触媒層(116) を６００℃程度より低い温度で使用できるため、燃焼触媒の劣化を防止することができる。したがって、燃料電池発電システム全体の発電効率の向上と改質器(126) の耐久性の向上とを図ることができる。
【００３７】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る改質器(126) の構造を概略的に示す斜視図である。なお、燃料電池発電システム全体の構成は、既に説明した図１に示す構成とほぼ同様である。ただし、本実施形態では、空気添加器(156) は設けられていない。
【００３８】
図２に示すように、本実施形態に係る改質器(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触媒層(116) と燃焼室(112) とに供給するための多数の小孔（117a,117b)が設けられている。カソード排ガス室(115) と燃焼触媒層(116) との境界壁に設けられた微量空気添加手段として機能する小孔(117b)の数はごくわずかであり、燃焼触媒層(116) には微量のカソード排ガスを供給するように構成されている。一方、カソード排ガス室(115) と燃焼室(112) との境界壁に設けられた小孔(117a)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) への原料ガスの入口側ほど小孔の開口率を高くして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るように構成されている。
【００３９】
次に、本実施形態の改質器(126) における動作を説明する。
【００４０】
第１の実施形態と同様に、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、カソード排ガス室(115) から小孔(117b)を介して微量のカソード排ガスが吹き込まれ、両者が混合した状態でアノード排ガスが燃焼する。そして、燃焼室(112) には、燃焼触媒層(116) で燃焼して高温になったアノード排ガスが供給され、カソード排ガス室(115) からはその上壁に設けられた小孔(117a)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に改質される。
【００４１】
その後の改質ガスの流れは上記従来の燃料電池発電システム(100X)における流れと同じである。
【００４２】
本実施形態によると、上記第１の実施形態と同様に、予めアノード排ガスを燃焼触媒層(116) 内で予備的に燃焼させて高温にしてから燃焼室(112) 内でアノード排ガスとカソード排ガスとを燃焼させているので、低カロリーガスのみでの燃焼を可能となる。また、燃焼触媒層(116) に微量のカソード排ガス（空気）を供給してアノード排ガスを燃焼させているので、さらに低カロリーガスのみでの燃焼が可能となる。
【００４３】
さらに、アノード排ガス室(115) から燃焼室(112) にカソード排ガスを供給する小孔を改質触媒層(113) への都市ガス等の入口側に近いほど密に、つまり開口率が高くなるように形成したので、改質触媒層(113) における温度分布の均一化を図ることができる。すなわち、改質反応は吸熱反応であり、入口ほど吸熱量が多く出口ほど吸熱量が少ないために、温度分布が不均一となりがちである。それに対し、本実施形態では、改質触媒層(113) への都市ガス等の入口側に近いほどカソード排ガスの供給量を多くしてアノード排ガスの燃焼を高めているので、改質触媒層(113) の全域で吸熱量と発熱量とのバランスがよくなり、改質反応の効率の向上を図ることができる。
【００４４】
ただし、小孔の開口率を高くするための構造は本実施形態に限られるものではなく、小孔の径を大きくすることも可能である。
【００４５】
（その他の実施形態）
上記第２の実施形態のような改質器(126) の構造において、カソード排ガス室(115) と燃焼触媒層(116) との間には小孔(117b)を設けずに、第１の実施形態のような空気添加器を改質器(126) の外部に別途設ける構造としてもよい。また、改質器(126) 内で燃焼触媒層(116) にアノード排ガスが入る直前にカソード排ガス（又は空気）を添加する構成としてもよい。
【００４６】
また、第２の実施形態において、小孔の開口率を高くするための構造は第２の実施形態の構造に限られるものではなく、たとえば改質触媒層への原料ガスの入口側ほど小孔の径を大きくするような構造も可能である。
【００４７】
さらに、上記各実施形態では、燃焼室(112) においてアノード排ガスとカソード排ガスとを燃焼させるようにしているが、カソード排ガスの代わりに空気を導入しても、アノード排ガスを有効に利用することができる。
【００４８】
また、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。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１〜７によれば、アノード排ガスを改質器の燃焼室で燃焼させて、改質触媒層で原料ガスを改質する際の加熱源とするように構成された燃料電池発電システムにおいて、アノード排ガスを予め燃焼触媒層で燃焼させてから燃焼室に供給するように構成したので、カロリーの高いガスを混ぜることなくアノード排ガスを燃焼させることができ、よって、システムの発電効率の向上と改質触媒層の寿命の向上を図ることができる。
【００５０】
特に、アノード排ガスに微量の空気を添加して燃焼触媒層で燃焼させることにより、さらに低カロリー状態でアノード排ガスを燃焼させることができる。
【００５１】
また、アノード排ガスを改質器の燃焼室でカソード排ガスとともに燃焼させることにより、２つの排ガスを有効に利用することができる。
【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の構造を概略的に示す斜視図である。
【図３】 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（空気供給部）
116 燃焼触媒層
117a 小孔
117b 小孔（微量空気添加手段）
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
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
156 空気添加器（微量空気添加手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a fuel cell power generation system in which anode exhaust gas and cathode exhaust gas are used as heat sources for a reforming reaction in a reformer.
[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. 3 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). In addition, (120) is an air compressor for compressing the outside air taken into the fuel cell (101) etc., (121) is a desulfurizer for removing sulfur components in city gas, and (122) is desulfurized. Gas compressor for compressing city gas to high pressure, (124) is a tank for storing water sent through pump (123) etc., (126) is a city sent from gas compressor (122) Reformers (127a, 127b) for generating reformed gas by reacting gas with water sent from the tank (124) via the pump (125) are generated in the reformer (126). A high-temperature transformer and a low-temperature transformer for modifying the reformed gas, (128) is for further oxidizing the CO gas in the reformed gas exiting from the transformer (127b) and then sending it to the battery body (101) Each partial oxidation reactor is shown. 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 side 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) is the outside air sent from the compressor (120) and a low-temperature transformer ( Each of the mixers for mixing the gas from 127b) is 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). ) In the combustion chamber (112), the city gas and steam are heated in the presence of the catalyst in the reforming catalyst layer (113), and the reformed gas mainly containing CO 2 gas and hydrogen gas is produced. 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]
However, in the above conventional fuel cell power generation system, anode exhaust gas containing hydrogen gas, which is surplus fuel of the battery body (101), is mixed with cathode exhaust gas containing air and water vapor to form a combustion chamber ( 112) and used as a heat source for the reforming catalyst layer (113). However, since the surplus fuel is low in calories, a means for supplementing the calories separately is required. Therefore, in the conventional fuel cell power generation system, the city gas having a high calorie is burned, and the power generation efficiency of the entire fuel cell power generation system is deteriorated. In addition, in a combustor using only a conventional burner, the temperature of the reforming catalyst layer (113) rises due to deterioration and overheating of the tube wall due to the flame coming into contact with the wall of the reformer, and this temperature rise Therefore, there is a problem that deterioration of the reforming catalyst layer (113) is promoted.
[0011]
An object of the present invention is to improve the power generation efficiency of the fuel cell power generation system and the life of the reforming catalyst layer by taking measures that can burn the anode exhaust gas with low calories without replenishing calories. .
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The means taken by the present invention to achieve the above object is to configure the fuel cell power generation system so that the anode exhaust gas is preliminarily burned under the catalyst and then burned together with the cathode gas in the combustion chamber. Specifically, the measures regarding the fuel cell power generation system described in claims 1 to 9 are taken.
[0013]
The fuel cell power generation system according to the present invention includes a battery body (101) having an anode (103) and a cathode (102), and a reformer containing at least hydrogen from a reformer (126). A polymer electrolyte fuel cell power generation system configured to supply a gas and another gas containing at least oxygen, and cause the reformed gas and the other gas to undergo electrode reaction at an anode (103) and a cathode (102) Assuming A reforming catalyst layer (113) disposed in the reformer (126) for generating the reformed gas from the raw material; and disposed in the reformer (126) without a combustion catalyst. is, the reforming catalyst layer (113) a combustion chamber for heating the (112), the total amount of the anode exhaust gas discharged from the top Symbol anode (103) is supplied, pre so that the temperature of the said anode exhaust gas specifically the combustion chamber after being burned in the combustion catalyst layer to be supplied to the (112) (116), anode exhaust gas which is supplied the combustion catalyst layer from the (116) into the combustion chamber (112) is combusted with air An air supply unit (115) for supplying air to the combustion chamber (112) , and the anode exhaust gas is preliminarily burned together with air in the combustion catalyst layer (116). adding a trace amount of a small amount of air is part of the air to be supplied from the air supply unit (115) Further comprising a gas addition means.
[0014]
Invention specific matters of claim 1 and the following claims are described in FIGS. 1 and 2. According to claim 1, before the anode exhaust gas is combusted in the combustion chamber (112) in the reformer (126), the anode exhaust gas is preliminarily burned in the presence of the catalyst in the combustion catalyst layer (116), so that the high temperature After reaching the state, it is supplied to the combustion chamber (112). Therefore, in the combustion chamber (112), the combustion is smoothly performed only with the low-calorie gas, and it is not necessary to burn the high-calorie gas. Accordingly, the temperature in the reforming catalyst layer (113) is lowered, and the life of the reforming catalyst layer (113) is improved.
[0015]
Further, according to claim 1 , a small amount of air is added to the anode exhaust gas, and preliminary combustion in the combustion catalyst layer (116) is easily performed. And since anode exhaust gas and cathode exhaust gas burn in a combustion chamber, combustion in a low-calorie state is attained. Accordingly, the life of the reforming catalyst layer (113) is further increased.
[0016]
As described in claim 2, in the fuel cell power generation system of claim 1, the trace air addition means, the air in the gas pipe which connects the reformer and (126) and the anode (103) It can be an air adder (156) configured to be introduced.
[0017]
The minute amount air addition means in claim 1 or 2 may add outside air to the anode exhaust gas as described in claim 3 , or as described in claim 4 , The cathode exhaust gas discharged from the cathode (102) may be added to the anode exhaust gas.
[0018]
As described in claim 5 , in the fuel cell power generation system according to claim 1, the air supply portion (115) is provided in contact with the combustion chamber (112) and a boundary wall with the combustion chamber (112) The air is supplied to the combustion chamber (112) through a large number of small holes (117a) formed in the large number of small holes (117a), and the large number of small holes (117a) are supplied to the reforming catalyst layer (113). It can comprise so that an opening rate may become so high that it is an entrance side.
[0019]
As a result, the thermal power of the combustion chamber (112) becomes stronger toward the inlet side of the reforming catalyst layer (113) where the reforming reaction which is an endothermic reaction is further promoted, so that the temperature distribution of the entire reforming catalyst layer (113) is reduced. As a result, the life of the reforming catalyst layer (113) becomes longer and the power generation efficiency of the entire fuel cell power generation system is improved.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell power generation system according to the fifth aspect of the present invention, the minute air addition means is connected to the combustion catalyst layer (115) from the air supply unit (115) in the reformer (126). 116) can be configured to introduce air.
[0021]
As a result, air can be preliminarily added to the anode exhaust gas inside the reformer (126) without providing an air adder outside, so that the fuel cell power generation system becomes compact.
[0022]
As described in claim 7 , in the fuel cell power generation system according to claim 1, 2 , 3, 4, 5, or 6 , the air supply unit (115) is discharged from the cathode (102). The cathode exhaust gas may be supplied.
[0023]
As a result, it is possible to use the air in the cathode exhaust gas added to the anode exhaust gas as a heating source for the reforming catalyst layer (113).
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a piping system diagram schematically showing a configuration of a polymer electrolyte fuel cell power generation system (100A) according to a first embodiment. 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). In addition, (120) is an air compressor for compressing the outside air taken into the fuel cell (101) etc., (121) is a desulfurizer for removing sulfur components in city gas, and (122) is desulfurized. Gas compressor for compressing city gas to high pressure, (124) is a tank for storing water sent through pump (123) etc., (126) is a city sent from gas compressor (122) Reformers (127a, 127b) for generating a reformed gas by reacting the gas with water sent from the tank (124) via the pump (125) are generated by the reformer (126). A high temperature transformer and a low temperature transformer for reducing the CO gas in the reformed gas, (128) further oxidizes the CO gas in the reformed gas exiting from the low temperature transformer (127b), Each of the partial oxidation reactors for sending to) is shown. 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.
[0025]
The fuel cell power generation system (100A) is provided with a water supply system (140) for supplying water to the reformer (126). A pump (125) and a water treatment device (142) are interposed in the water flow path (141) of the water supply system (140).
[0026]
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 side 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 arrangement. It is configured. Note that (155) represents the gas discharged from the anode (103) and cathode (102) of the battery body (101) and sent to the reformer (126) and the exhaust gas discharged from the reformer (126). The 5th heat exchanger for performing heat exchange is shown.
[0027]
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) is the outside air sent from the compressor (120) and a low-temperature transformer ( Each of the mixers for mixing the gas from 127b) is shown.
[0028]
Here, the characteristic part of this embodiment is demonstrated.
[0029]
An air adder (156) for adding a small amount of cathode exhaust gas (or air) to the anode exhaust gas is interposed in the passage for supplying anode exhaust gas from the anode (103) to the reformer (126). Although not shown, the air adder (156) includes means such as a compressor and a blower for forcing the cathode gas to flow from the passage through which the cathode exhaust gas flows to the passage through which the anode exhaust gas flows. However, a compressor, a blower, or the like is not required under conditions where the passage through which the anode exhaust gas flows has a lower pressure.
[0030]
In the reformer (126), the combustion chamber (112) for burning the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas and the city gas and steam mixed gas sent from the mixer (134) are reacted to improve the reformer. A reforming catalyst layer (113) for generating a gaseous gas, a cathode exhaust gas chamber (115) as an air supply unit for receiving the cathode exhaust gas, a combustion catalyst layer (116) having a catalyst for burning the anode exhaust gas, Is provided. The reformer (126) is constituted by the combustion chamber (112), the reforming catalyst layer (113), the cathode exhaust gas chamber (115), and the combustion catalyst layer (116). The reformer (126) 4 is composed of only a portion functioning as a conventional reformer combustor (110X) shown in FIG. 4 and has a very compact structure.
[0031]
The air adder (156) may be configured to add a small amount of outside air instead of the cathode exhaust gas. In this embodiment, the air adder (156) is arranged upstream of the fifth heat exchanger (155), but the air adder (156) is arranged downstream of the fifth heat exchanger (155). You may arrange in.
[0032]
Next, the operation in the fuel cell power generation system (100) will be described.
[0033]
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 (110A). On the other hand, 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). Also, anode exhaust gas containing hydrogen gas is sent from the anode (103), and a small amount of cathode exhaust gas is added to the anode exhaust gas by the air adder (156), and then sent to the combustion catalyst layer (116). The anode exhaust gas to which a small amount of air (cathode exhaust gas) is added in the presence of the combustion catalyst in the combustion catalyst layer (116) burns and becomes high temperature. The combustion chamber (112) is supplied with high temperature anode exhaust gas from the combustion catalyst layer (116), and the cathode exhaust gas chamber (111) is supplied with cathode exhaust gas through a small hole (not shown). Both are mixed and burned. As a result, the city gas and steam are heated and reacted in the reforming catalyst layer (113) in the presence of the catalyst to generate a reformed gas mainly containing CO 2 gas and hydrogen gas.
[0034]
The flow of the reformed gas thereafter is the same as that in the conventional fuel cell power generation system (100X).
[0035]
In the present embodiment, since the anode exhaust gas is preliminarily burned in the combustion catalyst layer (116) in the presence of the combustion catalyst and is heated to a high temperature, it is supplied to the combustion chamber (112). In this case, combustion is performed smoothly, and combustion is possible only with a low-calorie gas. Accordingly, the power generation efficiency of the entire fuel cell power generation system is improved, the temperature rise of the reforming catalyst layer (113) is suppressed, and the life of the reforming catalyst layer (113) is extended. In the past, heating by the burner produced a part with a fast heat flux, and the reforming catalyst at that part exceeded the appropriate temperature (800 ° C.), leading to deterioration in durability. Since combustion can be performed, unevenness in temperature hardly occurs and the life of the reforming catalyst (113) is prolonged.
[0036]
In particular, since a small amount of cathode exhaust gas (air) is added to the anode exhaust gas and burned in the combustion catalyst layer (116), combustion is possible with only a low-calorie gas. For example, when the anode exhaust gas and a small amount of cathode exhaust gas are preliminarily burned in the combustion catalyst layer (116) and then burned together with the cathode exhaust gas in the combustion chamber (112), the combustion catalyst layer ( 116) can be used at a temperature lower than about 600 ° C., so that deterioration of the combustion catalyst can be prevented. Therefore, it is possible to improve the power generation efficiency of the entire fuel cell power generation system and improve the durability of the reformer (126).
[0037]
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the structure of the reformer (126) according to the second embodiment. The configuration of the entire fuel cell power generation system is substantially the same as the configuration shown in FIG. 1 already described. However, in this embodiment, the air adder (156) is not provided.
[0038]
As shown in FIG. 2, the reformer (126) according to the present embodiment has a three-layer 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 (117a, 117b) for supplying the cathode exhaust gas to the upper combustion catalyst layer (116) and the combustion chamber (112) are provided in the ceiling of the cathode exhaust gas chamber (115). ing. The number of small holes (117b) functioning as minute air addition means provided in the boundary wall between the cathode exhaust gas chamber (115) and the combustion catalyst layer (116) is very small, and the combustion catalyst layer (116) has a very small amount. The cathode exhaust gas is supplied. On the other hand, the small holes (117a) provided in the boundary wall between the cathode exhaust gas chamber (115) and the combustion chamber (112) are closely separated from the combustion catalyst layer (116) in a region close to the combustion catalyst layer (116). In the region, it is roughly formed. That is, it is configured such that the opening rate of the small holes is increased toward the inlet side of the raw material gas to the reforming catalyst layer (113) to increase the supply amount of the cathode exhaust gas, thereby generating a lot of combustion heat.
[0039]
Next, the operation in the reformer (126) of this embodiment will be described.
[0040]
As in the first embodiment, 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). Further, 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 is blown from the cathode exhaust gas chamber (115) through the small holes (117b). The anode exhaust gas burns in a state where both are mixed. The combustion chamber (112) is supplied with anode exhaust gas that has been heated in the combustion catalyst layer (116) to a high temperature, and the cathode exhaust gas chamber (115) has small holes (117a) provided on the upper wall thereof. The cathode exhaust gas is supplied via the gas, 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 reformed into a reformed gas mainly containing CO 2 gas and hydrogen gas.
[0041]
The flow of the reformed gas thereafter is the same as that in the conventional fuel cell power generation system (100X).
[0042]
According to the present embodiment, as in the first embodiment, the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are preliminarily burned in the combustion catalyst layer (116) and heated to a high temperature in the combustion chamber (112). Because it is burned, it is possible to burn only with low calorie gas. In addition, since a small amount of cathode exhaust gas (air) is supplied to the combustion catalyst layer (116) to burn the anode exhaust gas, combustion with only a low calorie gas is possible.
[0043]
Further, the closer the small holes for supplying the cathode exhaust gas from the anode exhaust gas chamber (115) to the combustion chamber (112) closer to the inlet side of the city gas or the like to the reforming catalyst layer (113), that is, the opening ratio becomes higher. Thus, the temperature distribution in the reforming catalyst layer (113) can be made uniform. That is, the reforming reaction is an endothermic reaction, and the temperature distribution tends to be non-uniform because the endothermic amount is larger at the inlet and the endothermic amount is smaller at the outlet. On the other hand, in the present embodiment, the closer to the inlet side of the city gas or the like to the reforming catalyst layer (113), the more the cathode exhaust gas is supplied to increase the combustion of the anode exhaust gas. 113), the balance between the heat absorption amount and the heat generation amount is improved, and the efficiency of the reforming reaction can be improved.
[0044]
However, the structure for increasing the aperture ratio of the small holes is not limited to this embodiment, and the diameter of the small holes can be increased.
[0045]
(Other embodiments)
In the structure of the reformer (126) as in the second embodiment, a small hole (117b) is not provided between the cathode exhaust gas chamber (115) and the combustion catalyst layer (116). An air adder as in the embodiment may be separately provided outside the reformer (126). Alternatively, the cathode exhaust gas (or air) may be added immediately before the anode exhaust gas enters the combustion catalyst layer (116) in the reformer (126).
[0046]
In the second embodiment, the structure for increasing the aperture ratio of the small holes is not limited to the structure of the second embodiment. For example, the smaller the holes are on the inlet side of the raw material gas to the reforming catalyst layer. A structure in which the diameter of the film is increased is also possible.
[0047]
Further, in each of the above embodiments, the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are burned in the combustion chamber (112). However, even if air is introduced instead of the cathode exhaust gas, the anode exhaust gas can be effectively used. it can.
[0048]
Further, in each of the above embodiments, the transformer does not necessarily need to be configured by the high temperature transformer (127a) and the low temperature transformer (127b), and may be configured by a single transformer. .
[0049]
【The invention's effect】
According to claims 1 to 7 , in the fuel cell power generation system configured to burn anode exhaust gas in the combustion chamber of the reformer and use as a heating source when reforming the raw material gas with the reforming catalyst layer Since the anode exhaust gas is burned in advance in the combustion catalyst layer and then supplied to the combustion chamber, the anode exhaust gas can be burned without mixing high-calorie gas, thereby improving the power generation efficiency of the system. The life of the reforming catalyst layer can be improved.
[0050]
In particular, the anode exhaust gas can be burned in a lower calorie state by adding a small amount of air to the anode exhaust gas and burning it in the combustion catalyst layer.
[0051]
Also, by burning the anode exhaust gas together with the cathode exhaust gas in the reformer combustion chamber, the two exhaust gases can be used effectively.
[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 according to a second embodiment.
FIG. 3 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 gas chamber (air supply part)
116 Combustion catalyst layer
117a small hole
117b Small hole (micro air addition means)
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
151 1st heat exchanger
152 Second heat exchanger
153 3rd heat exchanger
154 4th heat exchanger
155 Fifth heat exchanger
156 Air adder (micro air addition means)
Claims (7)
上記改質器 (126) 内に配置され、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、
燃焼触媒を有することなく上記改質器 (126) 内に配置され、上記改質触媒層 (113) を加熱するための燃焼室 (112) と、
上記アノード (103) から排出されるアノード排ガスの全量が供給され、該アノード排ガスを昇温させるように予備的に燃焼させた後上記燃焼室 (112) に供給するための燃焼触媒層 (116) と、
上記燃焼触媒層 (116) から上記燃焼室 (112) に供給されたアノード排ガスが空気と共に燃焼するように上記燃焼室 (112) に空気を供給するための空気供給部 (115) とを備え、
上記アノード排ガスが上記燃焼触媒層(116) で空気と共に予備的に燃焼するように上記アノード排ガスに上記空気供給部 (115) から供給するための空気の一部である微量の空気を添加する微量空気添加手段をさらに備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。 A reformed gas containing at least hydrogen and another gas containing at least oxygen are supplied from a reformer (126) to a battery body (101) having an anode (103) and a cathode (102). In a polymer electrolyte fuel cell power generation system configured to cause an electrode reaction of the gas at the anode (103) and the cathode (102) ,
A reforming catalyst layer (113) disposed in the reformer (126) for generating the reformed gas from a raw material ;
A combustion chamber (112) for heating the reforming catalyst layer (113) disposed in the reformer (126) without having a combustion catalyst ;
Combustion catalyst layer (116) for supplying the entire amount of anode exhaust gas discharged from the anode (103) and preliminarily combusting the anode exhaust gas so as to raise the temperature, and then supplying the combustion exhaust gas to the combustion chamber (112 ) When,
An air supply unit (115) for supplying air to the combustion chamber (112) so that the anode exhaust gas supplied from the combustion catalyst layer (116) to the combustion chamber (112) burns together with air ;
A small amount of a small amount of air that is part of the air for supplying from the air supply unit (115) to the anode exhaust gas so that the anode exhaust gas is preliminarily burned with air in the combustion catalyst layer (116). A fuel cell power generation system, further comprising air addition means.
上記微量空気添加手段は、改質器(126) とアノード(103) とを接続するガス配管に空気を導入するように構成された空気添加器(156) 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 1 ,
The minute amount air adding means is an air adder (156) configured to introduce air into a gas pipe connecting the reformer (126) and the anode (103). system.
上記微量空気添加手段は、外気を上記アノード排ガスに添加するもの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 1 or 2 ,
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the minute amount of air adding means adds outside air to the anode exhaust gas.
上記微量空気添加手段は、上記カソード(102) から排出されるカソード排ガスを上記アノード排ガスに添加するもの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 1 or 2 ,
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the minute amount of air adding means adds the cathode exhaust gas discharged from the cathode (102) to the anode exhaust gas.
上記空気供給部(115) は、上記燃焼室(112) に接して設けられ燃焼室(112) との境界壁に形成された多数の小孔(117a)を介して燃焼室(112) に空気を供給するように構成されており、
上記多数の小孔(117a)は、上記改質触媒層(113) への原料の入口側ほど開口率が高くなるように構成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 1,
The air supply section (115) is provided in contact with the combustion chamber (112), and air is supplied to the combustion chamber (112) through a number of small holes (117a) formed in a boundary wall with the combustion chamber (112). Is configured to supply
The fuel cell power generation system characterized in that the large number of small holes (117a) are configured such that the opening ratio increases toward the inlet side of the raw material to the reforming catalyst layer (113).
上記微量空気添加手段は、上記改質器(126) 内の空気供給部(115) から燃焼触媒層(116) に空気を導入するように構成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 5 ,
The fuel cell power generation system characterized in that the minute air addition means is configured to introduce air from an air supply section (115) in the reformer (126) into the combustion catalyst layer (116).
上記空気供給部(115) は、上記カソード(102) から排出されるカソード排ガスを供給するもの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 1, 2, 3, 4, 5 or 6 ,
The fuel cell power generation system, wherein the air supply unit (115) supplies cathode exhaust gas discharged from the cathode (102).
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