JP4106801B2

JP4106801B2 - Fuel cell power generation system

Info

Publication number: JP4106801B2
Application number: JP07978599A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎安田; 幹夫品川; 均工藤; 透中村
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: JP2000277138A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転停止時に配管等に不活性なパージガスを充填するようにした燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
源燃料を改質器で水素リッチな改質ガスに改質し、この改質ガスと空気とを燃料電池に供給して、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させて発電を行なうようにした燃料電池発電システムにおいて、源燃料や改質ガスは可燃性ガスであるので、運転停止時にシステムの配管などにこれらのガスが残留すると、残留ガス中の可燃成分が何らかの原因で引火し、爆発が発生する危険性がある。また改質器で水蒸気改質反応のために用いられる水蒸気が凝縮したり、その凝縮によって生じた負圧で外部空気がシステムの配管等に混入したりすると、配管や改質器の触媒などを劣化させるおそれがあり、寿命や性能を劣化させる可能性がある。
【０００３】
そこで、不活性なパージガスを燃料電池発電システムの配管等に充填し、配管等内の残留ガスをパージして排除するようにしている。この不活性なパージガスとしては一般に窒素ガスが用いられており、窒素ボンベやバルブ、バルブを開閉制御する制御回路等を燃料電池発電システムに組み込んで、システムの運転停止時に窒素ガスをパージガスとしてシステムの配管等に充填してパージを行なうようにする方法がとられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ボンベ等をシステムに組み込んでパージガスを使用する方法では、ボンベの残量を頻繁に把握したり、残量に応じてボンベを交換したりする必要があり、システムの管理が煩雑になるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、パージガス用のボンベを組み込む必要がなく、管理が容易になる燃料電池発電システムを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池発電システムは、水素リッチな改質ガスと空気とが供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させて発電する発電用燃料電池１と、改質ガスと空気とが供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させることによって空気中の酸素を消費させて窒素リッチなパージガスを生成させるパージガス生成用燃料電池２とを具備して成ることを特徴とするものである。
【０００７】
また請求項２の発明は、パージガス生成用燃料電池２に負荷抵抗３を接続して成ることを特徴とするものである。
【０００８】
また請求項３の発明は、パージガス生成用燃料電池２で生成されるパージガスを貯蔵するパージガスタンク４をパージガス生成用燃料電池２に接続して成ることを特徴とするものである。
【０００９】
また請求項４の発明は、パージガス生成用燃料電池２に供給する改質ガスとして、発電用燃料電池１に改質ガスを供給する改質ガス供給流路５から分岐した流路６より供給されるものを用いることを特徴とするものである。
【００１０】
また請求項５の発明は、パージガス生成用燃料電池２に供給する空気として、発電用燃料電池１から排出される排空気を用いることを特徴とするものである。
【００１１】
また請求項６の発明は、パージガス生成用燃料電池２に供給する改質ガスとして、発電用燃料電池１に改質ガスを供給する改質ガス供給流路５から分岐される流路６より供給されるものを用いると共に、且つ、パージガス生成用燃料電池２に供給する空気として、発電用燃料電池１から排出される排空気を用いることを特徴とするものである。
【００１２】
また請求項７の発明は、発電用燃料電池１とパージガス生成用燃料電池２を一体化して成ることを特徴とするものである。
【００１３】
また請求項８の発明は、パージガス生成用燃料電池２を単一のセル２ａで形成して成ることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態の一例を示すものであり、発電用燃料電池１には改質装置によって生成された水素リッチな改質ガス（純水素であってもよい）を供給する改質ガス供給流路５が接続してある。また発電用燃料電池１には空気を供給する空気供給流路１０が接続してあり、さらに発電用燃料電池１を通過した改質ガスを排出する改質ガス排気流路１１及び、発電用燃料電池１を通過した空気を排出する空気排気流路１２がそれぞれ発電用燃料電池１に接続してある。また、パージガス生成用燃料電池２には改質ガス供給流路６が接続してあり、この改質ガス供給流路６には上記の改質ガス排気流路１１が接続してある。さらにパージガス生成用燃料電池２を通過した改質ガスを排気する改質ガス排気流路１３や、パージガス生成用燃料電池２に空気を供給する空気供給流路１４、パージガス生成用燃料電池２で後述のように生成されたパージガスを排出するパージガス排気流路１５がパージガス生成用燃料電池２に接続してある。ここで、空気とは、酸素を含んだ酸化性のガス全般をさすが、一般的には大気中の空気を意味する。
【００１６】
上記のように形成される燃料電池発電システムにあって、発電用燃料電池１に改質ガス供給流路５から改質ガスが、空気供給配管１０から空気が供給されると、改質ガス中の水素と空気中の酸素が電気化学的に反応し、発電がなされる。燃料電池１内で水素の一部が消費された改質ガスは、排改質ガスとして改質ガス排気流路１１から排出され、また発電用燃料電池１内で酸素の一部が消費された空気は、排空気として空気排気流路１２から排出され、例えば大気中に放出される。
【００１７】
そして、パージガスを生成させるようにパージガス生成用燃料電池２を運転するときには、発電用燃料電池１から排出される改質ガスを改質ガス排気流路１１から改質ガス供給流路６を通じてパージガス生成用燃料電池２に供給すると共に空気供給流路１４から空気をパージガス生成用燃料電池２に供給する。改質ガス中には発電用燃料電池１で消費されない水素が含有されているので、パージガス生成用燃料電池２内で改質ガス中の水素と空気中の酸素が電気化学的に反応する。このときパージガス生成用燃料電池２で発電がなされる。ここで、このように空気供給流路１４からパージガス生成用燃料電池２に供給される空気はその酸素が改質ガス中の水素と反応して消費されている。このため、改質ガス中の水素と量論（当量）で反応する酸素量より少ない空気を空気供給流路１４からパージガス生成用燃料電池２に供給することによって、パージガス排気流路１５から排気される排空気は酸素濃度を無視することができる程度に窒素リッチで不活性なパージガスとして得ることができるものである。
【００１８】
このようにしてパージガス生成用燃料電池２で生成されてパージガス排気流路１５から排気されるパージガスは、燃料電池発電システムの運転停止時に配管や流路に充填し、システム内の残留ガスを追い出すパージに用いられるものである。従って、パージガスのボンベをシステムに組み込んでパージガスを使用する場合のような、ボンベの残量を頻繁に把握したり、残量に応じてボンベを交換したりするような必要がなくなり、システムの管理が容易になるものである。
【００１９】
図２は本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、パージガス生成用燃料電池２に負荷抵抗３が接続してある。その他の構成は図１と同じである。パージガス生成用燃料電池２内で改質ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させて、空気中の酸素を消費してパージガスを生成するためには、パージガス生成用燃料電池２で発電を行なわせる必要がある。この発電の際の電気エネルギーを負荷抵抗３で消費することによって、パージガス生成用燃料電池２で発電が行なわれるようにすることができ、改質ガス中の水素と空気中の酸素の反応を円滑に行なわせて、安定してパージガスを生成させることができるものである。負荷抵抗３の抵抗値は、パージガス生成用燃料電池２に供給される改質ガスや空気の組成、量など、各種の要因に応じて決まるので、一義的に定めることがはできないが、酸素を十分に消費して酸素量が十分に少ないパージガスを得ることができるような抵抗値を持つものであることが必要である。
【００２０】
図３は本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、パージガス排気流路１５にパージガスタンク４が接続してある。またこのパージガスタンク４にはバルブ１７を設けたパージガス供給流路１８が接続してある。その他の構成は図２のものと同じである。上記のようにパージガス生成用燃料電池２を運転することによって生成されるパージガスはパージガス排気流路１５から排出され、さらにこのパージガスはパージガス排気流路１５からパージガスタンク４に供給されて貯留することができる。従って、パージガスタンク４に必要量のパージガスが貯まると、パージガス生成用燃料電池２の運転を停止することができ、無駄な運転をして改質ガスの水素をパージガス生成用燃料電池２で消費することを防ぐことができる。また改質ガス供給流路６からパージガス生成用燃料電池２に改質ガスを供給しながら、空気供給流路１４からパージガス生成用燃料電池２への空気の供給を停止すると、パージガス生成用燃料電池２内では空気と改質ガスとの反応も止まるので、水素を消費されないで改質ガスは改質ガス排気流路１３から排出されることになり、この排出される改質ガスを発電や燃焼等に利用することができるものである。また、このようにパージガスをパージガスタンク４に貯蔵しておくことによって、システムの運転停止が緊急に行なわれても対処することができると共に、パージガスがパージを行なうのに不足することもなくなるものである。
【００２１】
上記の各実施の形態では、発電用燃料電池１の改質ガス排気流路１１をパージガス生成用燃料電池２の改質ガス供給流路６に接続し、発電用燃料電池１で水素の一部が消費されて水素濃度が低くなった改質ガスをパージガス生成用燃料電池２に供給するようにしているが、図４の実施の形態では、発電用燃料電池１に接続される改質ガス排気流路１１はパージガス生成用燃料電池２の改質ガス供給流路６に接続されないようにしてある。そして発電用燃料電池１に改質ガスを供給する改質ガス供給流路５から分岐して改質ガス供給流路６を設け、この改質ガス供給流路６をパージガス生成用燃料電池２に接続してある。その他の構成は図３と同じである。
【００２２】
このものにあって、改質ガスは発電用燃料電池１で水素が消費されることなく、改質ガス供給流路５から分岐した改質ガス供給流路６を通して直接、パージガス生成用燃料電池２に供給されるものであり、パージガス生成用燃料電池２に供給される改質ガスの水素濃度は高い。このため、パージガス生成用燃料電池２内での空気中の酸素と改質ガス中の水素との反応が増して酸素の消費量が高まり、より酸素濃度が低く不活性なパージガスを得ることができるものである。また改質ガス中の水素と量論（当量）で反応する酸素量が多くなるので、パージガス生成用燃料電池２に供給する空気流量を増すことができ、短時間に多量のパージガスを得ることができるものである。
【００２３】
上記の図１乃至図３の各実施の形態では、発電用燃料電池１で発電に使用された排空気は空気排気流路１２から排出されるようにしてあり、また大気中の空気が空気供給流路１４からパージガス生成用燃料電池２に供給されるようになっているが、図５の実施の形態では、発電用燃料電池１の空気排気流路１２とパージガス生成用燃料電池２の空気供給流路１４を排空気供給流路２０で接続してある。そして発電用燃料電池１で発電に使用された排空気は排空気供給流路２０を通してパージガス生成用燃料電池２に供給されるようにしてある。その他の構成は図３と同じである。
【００２４】
このものにあって、大気中の空気は空気供給流路１０から発電用燃料電池１に供給され、空気中の酸素の一部が発電の際に消費される。従って発電用燃料電池１から排出される排空気中の酸素濃度は低くなっている。そしてこの排空気は空気排気流路１２から排空気供給流路２０を通じて空気供給流路１４からパージガス生成用燃料電池２に供給され、改質ガス中の水素とこの排空気中の酸素が反応して消費されてパージガスが生成されるが、排空気中の酸素濃度は低いので、より酸素濃度が低く不活性なパージガスを得ることができるものである。また、パージガス生成用燃料電池２で改質ガスと反応する排空気の酸素濃度が低いので、反応量が小さくなり、この発電に伴う発電量も小さくなって発電による電気エネルギーのロスを小さくすることができるものであり、さらに、パージガス生成用燃料電池２に空気を供給するためのエアポンプなど空気供給装置を設ける必要もなくなるものである。
【００２５】
図６は本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、このものでは図４と図５の実施形態を総合した構成に形成してある。すなわち、発電用燃料電池１の改質ガス排気流路１１はパージガス生成用燃料電池２の改質ガス供給流路６に接続されないようにしてあると共に、発電用燃料電池１に改質ガスを供給する改質ガス供給流路５から分岐して改質ガス供給流路６が設けてあり、この分岐した改質ガス供給流路６をパージガス生成用燃料電池２に接続してある。また発電用燃料電池１の空気排気流路１２とパージガス生成用燃料電池２の空気供給流路１４を排空気供給流路２０で接続してあり、発電用燃料電池１で発電に使用された排空気は排空気供給流路２０を通してパージガス生成用燃料電池２に供給されるようにしてある。その他の構成は図３と同じである。
【００２６】
このものにあって、発電用燃料電池１に供給される改質ガスは発電用燃料電池１で水素が消費されることなく水素濃度が高いものであり、パージガス生成用燃料電池２内での空気中の酸素と改質ガス中の水素との反応が増して酸素の消費量が高まり、より酸素濃度の低いパージガスを得ることができる。しかもパージガス生成用燃料電池２に供給される空気は、発電用燃料電池１で酸素が消費されて酸素濃度の低い排空気であり、より酸素濃度が低いパージガスを得ることができる。従って、一層酸素濃度の低いより不活性なパージガスを得ることができるものである。
【００２７】
図７は発電用燃料電池１とパージガス生成用燃料電池２の外観を概略的に示すものである。発電用燃料電池１は高分子電解質膜や電極を内蔵して形成される複数のセル１ａからなるものであり、各セル１ａを重ね合わせると共に直列に接続してある。そして一方の端部に位置するセル１ａに改質ガス供給流路５と空気供給流路１０が接続してあり、他方の端部に位置するセル１ａに改質ガス排気流路１１と空気排気流路１２が接続してある。一方の端部のセル１ａに改質ガス供給流路５や空気供給流路１０から供給された改質ガスや空気は、各セル１ａを通過して他方の端部のセル１ａの改質ガス排気流路１１や空気排気流路１２から排気され、各セル１ａで発電がなされる。またパージガス生成用燃料電池２は高分子電解質膜や電極を内蔵して形成される複数のセル２ａからなるものであり、各セル２ａを重ね合わせると共に直列に接続してある。そして一方の端部に位置するセル２ａに改質ガス供給流路６と空気供給流路１４が接続してあり、他方の端部に位置するセル２ａに改質ガス排気流路１３とパージガス排気流路１５が接続してある。一方の端部のセル２ａに改質ガス供給流路５や空気供給流路１０から供給された改質ガスや空気は、各セル２ａを通過してパージガスが生成された後、他方の端部のセル２ａの改質ガス排気流路１１やパージガス排気流路１５から排気される。
【００２８】
ここで、図７の実施の形態では、発電用燃料電池１を構成するセル１ａとパージガス生成用燃料電池２を構成するセル２ａを重ね合わせて一体化することによって、発電用燃料電池１とパージガス生成用燃料電池２を一体構造に形成してある。このように発電用燃料電池１とパージガス生成用燃料電池２を一体化することによって、システム全体を小型化することができるものである。
【００２９】
図８の実施の形態は、発電用燃料電池１を図７と同様に複数のセル１ａで形成すると共に、パージガス生成用燃料電池２は単一のセル２ａで形成するようにしてある。パージガス生成用燃料電池２を複数のセル２ａで形成すると、各セル２ａの内部抵抗等のばらつきによって各セル２ａで発電量が異なる場合、セル２ａによっては電気分解が生じて水素や酸素を発生させる逆の反応が行なわれるおそれがあり、低酸素濃度のパージガスを安定して生成できないおそれがあると共に引火等の危険性を生じるおそれがあるが、単一のセル２ａでパージガス生成用燃料電池２を形成するようにすれば、このような問題はなくなるものである。
【００３０】
【発明の効果】
上記のように本発明に係る燃料電池発電システムは、水素リッチな改質ガスと空気とが供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させて発電する発電用燃料電池と、改質ガスと空気とが供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させることによって空気中の酸素を消費させて窒素リッチなパージガスを生成させるパージガス生成用燃料電池とを具備して形成してあるので、パージガス生成用燃料電池に供給される空気はその酸素が改質ガス中の水素と反応して消費され、窒素リッチで不活性なパージガスとして生成させることができるものであり、パージガスのボンベをシステムに組み込むような必要がなくなって、システムの管理が容易になるものである。
【００３１】
また請求項２の発明は、パージガス生成用燃料電池に負荷抵抗を接続するようにしたので、電気エネルギーを負荷抵抗で消費することによって、パージガス生成用燃料電池で発電が行なわれるようにすることができ、改質ガスの水素と空気中の酸素の反応を円滑に行なわせて、安定してパージガスを生成させることができるものである。
【００３２】
また請求項３の発明は、パージガス生成用燃料電池で生成されるパージガスを貯蔵するパージガスタンクをパージガス生成用燃料電池に接続したので、パージガスタンクに必要量のパージガスが貯まると、パージガス生成用燃料電池の運転を停止することができるものであり、無駄な運転をして改質ガスの水素をパージガス生成用燃料電池で消費することを防ぐことができると共に、またパージガス生成用燃料電池に改質ガスを供給しながら空気の供給を停止すると、パージガス生成用燃料電池内では空気と改質ガスとの反応も止まり、水素を消費されないで排出される改質ガスを発電や燃焼等に利用することができるものである。また、このようにパージガスをパージガスタンクに貯蔵しておくことによって、システムの運転停止が緊急に行なわれても対処することができると共に、パージガスがパージを行なうのに不足することもなくなるものである。
【００３３】
また請求項４の発明は、パージガス生成用燃料電池に供給する改質ガスとして、発電用燃料電池に改質ガスを供給する改質ガス供給流路から分岐した流路より供給されるものを用いるようにしたので、改質ガスは発電用燃料電池で水素が消費されることなく、改質ガス供給流路から分岐した改質ガス供給流路を通して直接、パージガス生成用燃料電池に供給されるものであって、パージガス生成用燃料電池に供給される改質ガスの水素濃度は高く、パージガス生成用燃料電池内での空気中の酸素と改質ガス中の水素との反応が増して酸素の消費量が高まり、より酸素濃度が低く不活性なパージガスを得ることができるものである。また改質ガス中の水素と反応する酸素量が多くなるので、パージガス生成用燃料電池に供給する空気流量を増すことができ、短時間に多量のパージガスを得ることができるものである。
【００３４】
また請求項５の発明は、パージガス生成用燃料電池に供給する空気として、発電用燃料電池から排出される排空気を用いるようにしたので、発電用燃料電池で酸素が消費されて酸素濃度が低くなった排空気がパージガス生成用燃料電池に供給されるものであり、より酸素濃度が低く不活性なパージガスを得ることができるものである。また、パージガス生成用燃料電池で改質ガスと反応する排空気の酸素濃度が低いので、反応量が小さくなり、この発電に伴う発電量も小さくなって発電による電気エネルギーのロスを小さくすることができるものである。
【００３５】
また請求項６の発明は、パージガス生成用燃料電池に供給する改質ガスとして、発電用燃料電池に改質ガスを供給する改質ガス供給流路から分岐される流路より供給されるものを用いると共に、且つ、パージガス生成用燃料電池に供給する空気として、発電用燃料電池から排出される排空気を用いるようにしたので、一層酸素濃度の低いより不活性なパージガスを得ることができるものである。
【００３６】
また請求項７の発明は、発電用燃料電池とパージガス生成用燃料電池を一体化するようにしたので、システム全体を小型化することができるものである。
【００３７】
また請求項８の発明は、パージガス生成用燃料電池を単一のセルで形成して成るようにしたので、パージガス生成用燃料電池を複数のセルで形成する場合のような、各セルの内部抵抗等のばらつきによって各セルで発電量が異なって、セルによっては電気分解が生じて水素や酸素を発生させる逆の反応が行なわれるようなことを防ぐことができ、低酸素濃度のパージガスを安定して生成することができると共に引火等の危険性がなくなるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図２】請求項２の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図３】請求項３の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図４】請求項４の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図５】請求項５の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図６】請求項６の発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図７】請求項７の発明の実施の形態の一例を示す概略斜視図である。
【図８】請求項８の発明の実施の形態の一例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１発電用燃料電池
２パージガス生成用燃料電池
３負荷抵抗
４パージガスタンク
５改質ガス供給流路
６改質ガス供給流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system in which a pipe or the like is filled with an inert purge gas when operation is stopped.
[0002]
[Prior art]
The source fuel is reformed into a hydrogen-rich reformed gas by a reformer, and this reformed gas and air are supplied to the fuel cell, and hydrogen in the reformed gas and oxygen in the air are reacted to generate power. In the fuel cell power generation system, the source fuel and reformed gas are flammable gases. If these gases remain in the system piping when the operation is stopped, the flammable components in the residual gas will ignite for some reason. There is a risk of explosion. Also, if the steam used for the steam reforming reaction in the reformer condenses, or if external air enters the system piping due to the negative pressure generated by the condensation, the piping or reformer catalyst will be There is a possibility of deteriorating, and there is a possibility of deteriorating the life and performance.
[0003]
Therefore, an inert purge gas is filled in the piping of the fuel cell power generation system and the residual gas in the piping is purged and removed. Nitrogen gas is generally used as the inert purge gas. A nitrogen cylinder, a valve, a control circuit for controlling the opening and closing of the valve is incorporated in the fuel cell power generation system, and the nitrogen gas is used as a purge gas when the system is stopped. A method of purging by filling a pipe or the like is employed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method of using a purge gas by incorporating a cylinder etc. into the system, it is necessary to frequently grasp the remaining amount of the cylinder, or to replace the cylinder according to the remaining amount, and the management of the system becomes complicated There was a problem.
[0005]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system that can be easily managed without the need for incorporating a purge gas cylinder.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A fuel cell power generation system according to the present invention includes a power generation fuel cell 1 that is supplied with a hydrogen-rich reformed gas and air and reacts hydrogen in the reformed gas with oxygen in the air, and the reformed gas. And a fuel cell 2 for generating a purge gas that consumes oxygen in the air to generate a nitrogen-rich purge gas by reacting hydrogen in the reformed gas with oxygen in the air. It is characterized by this.
[0007]
The invention of claim 2 is characterized in that a load resistor 3 is connected to the purge gas generating fuel cell 2.
[0008]
The invention of claim 3 is characterized in that a purge gas tank 4 for storing purge gas generated by the purge gas generation fuel cell 2 is connected to the purge gas generation fuel cell 2.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, the reformed gas supplied to the purge gas generating fuel cell 2 is supplied from the flow path 6 branched from the reformed gas supply path 5 for supplying the reformed gas to the power generation fuel cell 1. It is characterized by using a thing.
[0010]
The invention according to claim 5 is characterized in that exhaust air discharged from the power generation fuel cell 1 is used as the air supplied to the purge gas generation fuel cell 2.
[0011]
According to the sixth aspect of the present invention, the reformed gas supplied to the purge gas generating fuel cell 2 is supplied from the flow path 6 branched from the reformed gas supply flow path 5 for supplying the reformed gas to the power generation fuel cell 1. In addition, exhaust air discharged from the power generation fuel cell 1 is used as the air supplied to the purge gas generation fuel cell 2.
[0012]
The invention of claim 7 is characterized in that the power generation fuel cell 1 and the purge gas generation fuel cell 2 are integrated.
[0013]
The invention of claim 8 is characterized in that the purge gas generating fuel cell 2 is formed by a single cell 2a.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0015]
FIG. 1 shows an example of an embodiment of the present invention. A modified fuel cell 1 for power generation is supplied with a hydrogen-rich reformed gas (which may be pure hydrogen) generated by a reformer. A quality gas supply channel 5 is connected. An air supply passage 10 for supplying air is connected to the power generation fuel cell 1, a reformed gas exhaust passage 11 for discharging the reformed gas that has passed through the power generation fuel cell 1, and a power generation fuel. Air exhaust passages 12 for discharging air that has passed through the battery 1 are connected to the power generation fuel cell 1, respectively. Further, the reformed gas supply channel 6 is connected to the purge gas generating fuel cell 2, and the reformed gas exhaust channel 11 is connected to the reformed gas supply channel 6. Further, the reformed gas exhaust passage 13 for exhausting the reformed gas that has passed through the purge gas generating fuel cell 2, the air supply passage 14 for supplying air to the purge gas generating fuel cell 2, and the purge gas generating fuel cell 2 will be described later. A purge gas exhaust passage 15 for discharging the generated purge gas is connected to the purge gas generating fuel cell 2. Here, air refers to all oxidative gases containing oxygen, but generally means air in the atmosphere.
[0016]
In the fuel cell power generation system formed as described above, when the reformed gas is supplied to the power generation fuel cell 1 from the reformed gas supply flow path 5 and the air is supplied from the air supply pipe 10, The hydrogen and oxygen in the air react electrochemically to generate electricity. The reformed gas in which a part of the hydrogen is consumed in the fuel cell 1 is discharged from the reformed gas exhaust passage 11 as an exhaust reformed gas, and a part of the oxygen is consumed in the fuel cell 1 for power generation. The air is discharged from the air exhaust passage 12 as exhaust air, and is released into the atmosphere, for example.
[0017]
When the purge gas generation fuel cell 2 is operated so as to generate purge gas, the reformed gas discharged from the power generation fuel cell 1 is generated from the reformed gas exhaust passage 11 through the reformed gas supply passage 6. The air is supplied to the fuel cell 2 and the air is supplied from the air supply channel 14 to the purge gas generating fuel cell 2. Since the reformed gas contains hydrogen that is not consumed by the power generation fuel cell 1, the hydrogen in the reformed gas and the oxygen in the air react electrochemically in the purge gas generating fuel cell 2. At this time, the purge gas generating fuel cell 2 generates power. Here, the air supplied to the purge gas generating fuel cell 2 from the air supply flow path 14 in this way is consumed as its oxygen reacts with hydrogen in the reformed gas. For this reason, air that is less than the amount of oxygen that reacts stoichiometrically (equivalent) with hydrogen in the reformed gas is exhausted from the purge gas exhaust passage 15 by supplying air from the air supply passage 14 to the purge gas generating fuel cell 2. The exhausted air can be obtained as an inert purge gas rich in nitrogen to such an extent that the oxygen concentration can be ignored.
[0018]
The purge gas generated in the purge gas generating fuel cell 2 and exhausted from the purge gas exhaust passage 15 is filled in the piping and the passage when the fuel cell power generation system is stopped, and purges the residual gas in the system. It is used for. Therefore, there is no need to frequently grasp the remaining amount of the cylinder or replace the cylinder according to the remaining amount, as in the case of using the purge gas by incorporating the purge gas cylinder into the system. Is easier.
[0019]
FIG. 2 shows another example of the embodiment of the present invention, in which a load resistor 3 is connected to a purge gas generating fuel cell 2. Other configurations are the same as those in FIG. In order to generate the purge gas by consuming the oxygen in the air by electrochemically reacting the hydrogen in the reformed gas and the oxygen in the air in the purge gas generating fuel cell 2, the purge gas generating fuel cell 2 It is necessary to generate electricity at. By consuming the electric energy at the time of this power generation with the load resistor 3, it is possible to generate power in the purge gas generating fuel cell 2 and to smoothly react the hydrogen in the reformed gas and the oxygen in the air. The purge gas can be generated stably. The resistance value of the load resistor 3 is determined according to various factors such as the reformed gas and the composition and amount of air supplied to the purge gas generating fuel cell 2, and therefore cannot be uniquely determined. It is necessary to have a resistance value that can be sufficiently consumed to obtain a purge gas with a sufficiently small amount of oxygen.
[0020]
FIG. 3 shows another example of the embodiment of the present invention, in which the purge gas tank 4 is connected to the purge gas exhaust passage 15. The purge gas tank 4 is connected to a purge gas supply passage 18 provided with a valve 17. Other configurations are the same as those in FIG. The purge gas generated by operating the purge gas generating fuel cell 2 as described above is discharged from the purge gas exhaust passage 15, and this purge gas is further supplied from the purge gas exhaust passage 15 to the purge gas tank 4 and stored. it can. Accordingly, when a necessary amount of purge gas is stored in the purge gas tank 4, the operation of the purge gas generation fuel cell 2 can be stopped, and the reformed gas hydrogen is consumed in the purge gas generation fuel cell 2 by performing unnecessary operation. Can be prevented. When the supply of air from the air supply channel 14 to the purge gas generating fuel cell 2 is stopped while supplying the reformed gas from the reformed gas supply channel 6 to the purge gas generating fuel cell 2, the purge gas generating fuel cell is stopped. 2, the reaction between the air and the reformed gas also stops, so that the reformed gas is discharged from the reformed gas exhaust passage 13 without consuming hydrogen, and this discharged reformed gas is generated or burned. Etc. can be used. Further, by storing the purge gas in the purge gas tank 4 in this way, it is possible to cope with an emergency shutdown of the system, and the purge gas will not be insufficient for purging. is there.
[0021]
In each of the above embodiments, the reformed gas exhaust passage 11 of the power generation fuel cell 1 is connected to the reformed gas supply passage 6 of the purge gas generation fuel cell 2, and a part of hydrogen is generated in the power generation fuel cell 1. 4 is supplied to the purge gas generating fuel cell 2, but in the embodiment of FIG. 4, the reformed gas exhaust connected to the power generating fuel cell 1 is supplied. The flow path 11 is not connected to the reformed gas supply flow path 6 of the purge gas generating fuel cell 2. Then, a reformed gas supply channel 6 is branched from the reformed gas supply channel 5 for supplying the reformed gas to the power generation fuel cell 1, and the reformed gas supply channel 6 is connected to the purge gas generating fuel cell 2. Connected. Other configurations are the same as those in FIG.
[0022]
In this case, the reformed gas is not consumed in the fuel cell 1 for power generation, and the purge gas generating fuel cell 2 directly through the reformed gas supply channel 6 branched from the reformed gas supply channel 5. The reformed gas supplied to the purge gas generating fuel cell 2 has a high hydrogen concentration. For this reason, the reaction between oxygen in the air and hydrogen in the reformed gas in the purge gas generating fuel cell 2 increases, and the consumption of oxygen increases, so that an inert purge gas with a lower oxygen concentration can be obtained. Is. Further, since the amount of oxygen that reacts with hydrogen in the reformed gas in a stoichiometric amount (equivalent) increases, the flow rate of air supplied to the purge gas generating fuel cell 2 can be increased, and a large amount of purge gas can be obtained in a short time. It can be done.
[0023]
1 to 3, the exhaust air used for power generation in the power generation fuel cell 1 is exhausted from the air exhaust passage 12, and the air in the atmosphere supplies air. The purge gas generation fuel cell 2 is supplied from the flow path 14, but in the embodiment of FIG. 5, the air exhaust flow path 12 of the power generation fuel cell 1 and the air supply of the purge gas generation fuel cell 2 are provided. The flow path 14 is connected by the exhaust air supply flow path 20. The exhaust air used for power generation in the power generation fuel cell 1 is supplied to the purge gas generation fuel cell 2 through the exhaust air supply passage 20. Other configurations are the same as those in FIG.
[0024]
In this configuration, air in the atmosphere is supplied from the air supply flow path 10 to the power generation fuel cell 1, and part of oxygen in the air is consumed during power generation. Therefore, the oxygen concentration in the exhaust air discharged from the power generation fuel cell 1 is low. The exhaust air is supplied from the air exhaust passage 12 to the purge gas generating fuel cell 2 from the air supply passage 14 through the exhaust air supply passage 20, and hydrogen in the reformed gas reacts with oxygen in the exhaust air. The purge gas is generated by being consumed, but since the oxygen concentration in the exhaust air is low, an inert purge gas with a lower oxygen concentration can be obtained. In addition, since the oxygen concentration of the exhaust air that reacts with the reformed gas in the purge gas generating fuel cell 2 is low, the reaction amount is reduced, and the amount of power generation accompanying this power generation is also reduced, thereby reducing the loss of electrical energy due to power generation. Further, there is no need to provide an air supply device such as an air pump for supplying air to the purge gas generating fuel cell 2.
[0025]
FIG. 6 shows another example of the embodiment of the present invention, in which the embodiment shown in FIGS. That is, the reformed gas exhaust channel 11 of the power generation fuel cell 1 is not connected to the reformed gas supply channel 6 of the purge gas generating fuel cell 2 and the reformed gas is supplied to the power generation fuel cell 1. A reformed gas supply flow path 6 is provided by branching from the reformed gas supply flow path 5, and the branched reformed gas supply flow path 6 is connected to the purge gas generating fuel cell 2. Further, the air exhaust passage 12 of the power generation fuel cell 1 and the air supply passage 14 of the purge gas generating fuel cell 2 are connected by the exhaust air supply passage 20, and the exhaust used for power generation in the power generation fuel cell 1 is connected. The air is supplied to the purge gas generating fuel cell 2 through the exhaust air supply passage 20. Other configurations are the same as those in FIG.
[0026]
In this case, the reformed gas supplied to the power generation fuel cell 1 has a high hydrogen concentration without consuming hydrogen in the power generation fuel cell 1, and the air in the purge gas generation fuel cell 2. The reaction between the oxygen in the hydrogen and the hydrogen in the reformed gas increases to increase the consumption of oxygen, and a purge gas having a lower oxygen concentration can be obtained. Moreover, the air supplied to the purge gas generating fuel cell 2 is exhausted air having a low oxygen concentration as oxygen is consumed in the power generation fuel cell 1, and a purge gas having a lower oxygen concentration can be obtained. Therefore, a more inert purge gas having a lower oxygen concentration can be obtained.
[0027]
FIG. 7 schematically shows the appearance of the power generation fuel cell 1 and the purge gas generation fuel cell 2. The fuel cell 1 for power generation is composed of a plurality of cells 1a formed by incorporating polymer electrolyte membranes and electrodes. The cells 1a are overlapped and connected in series. The reformed gas supply channel 5 and the air supply channel 10 are connected to the cell 1a located at one end, and the reformed gas exhaust channel 11 and the air exhaust are connected to the cell 1a located at the other end. A flow path 12 is connected. The reformed gas and air supplied to the cell 1a at one end from the reformed gas supply channel 5 and the air supply channel 10 pass through each cell 1a and the reformed gas in the cell 1a at the other end. The gas is exhausted from the exhaust flow path 11 and the air exhaust flow path 12, and power is generated in each cell 1a. The purge gas generating fuel cell 2 is composed of a plurality of cells 2a formed by incorporating polymer electrolyte membranes and electrodes, and the cells 2a are overlapped and connected in series. The reformed gas supply passage 6 and the air supply passage 14 are connected to the cell 2a located at one end, and the reformed gas exhaust passage 13 and the purge gas exhaust are connected to the cell 2a located at the other end. A flow path 15 is connected. The reformed gas or air supplied to the cell 2a at one end from the reformed gas supply channel 5 or the air supply channel 10 passes through each cell 2a, and after the purge gas is generated, the other end The gas is exhausted from the reformed gas exhaust passage 11 and the purge gas exhaust passage 15 of the cell 2a.
[0028]
Here, in the embodiment of FIG. 7, the cell 1a constituting the power generation fuel cell 1 and the cell 2a constituting the purge gas generating fuel cell 2 are overlapped and integrated, whereby the power generation fuel cell 1 and the purge gas are integrated. The production fuel cell 2 is formed in an integral structure. By integrating the power generating fuel cell 1 and the purge gas generating fuel cell 2 in this way, the entire system can be reduced in size.
[0029]
In the embodiment of FIG. 8, the power generation fuel cell 1 is formed by a plurality of cells 1a as in FIG. 7, and the purge gas generation fuel cell 2 is formed by a single cell 2a. When the purge gas generating fuel cell 2 is formed of a plurality of cells 2a, if the amount of power generation differs in each cell 2a due to variations in internal resistance of each cell 2a, the cell 2a undergoes electrolysis to generate hydrogen and oxygen. There is a possibility that the reverse reaction may occur, and there is a possibility that a purge gas with low oxygen concentration cannot be stably generated, and there is a risk of ignition, etc., but the fuel cell 2 for generating a purge gas is formed by a single cell 2a. If it is formed, such a problem is eliminated.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, the fuel cell power generation system according to the present invention is supplied with hydrogen-rich reformed gas and air, and generates power by reacting hydrogen in the reformed gas with oxygen in the air; and A purge gas generating fuel cell is provided, which is supplied with the reformed gas and air, and causes the oxygen in the air to be consumed by reacting hydrogen in the reformed gas with oxygen in the air to generate a nitrogen-rich purge gas. Therefore, the oxygen supplied to the fuel cell for generating the purge gas is consumed as the oxygen reacts with the hydrogen in the reformed gas and can be generated as a nitrogen-rich and inert purge gas. This eliminates the need for incorporating a purge gas cylinder into the system, thereby facilitating system management.
[0031]
In the invention of claim 2, since the load resistance is connected to the purge gas generation fuel cell, electric power is generated in the purge gas generation fuel cell by consuming electric energy at the load resistance. In addition, the reaction between hydrogen in the reformed gas and oxygen in the air can be performed smoothly, and the purge gas can be generated stably.
[0032]
According to the invention of claim 3, since the purge gas tank for storing the purge gas generated by the purge gas generation fuel cell is connected to the purge gas generation fuel cell, when a necessary amount of purge gas is stored in the purge gas tank, the purge gas generation fuel cell It is possible to prevent the consumption of reformed gas hydrogen in the purge gas generating fuel cell by performing a useless operation, and the reformed gas is supplied to the purge gas generating fuel cell. When the supply of air is stopped while supplying gas, the reaction between the air and the reformed gas stops in the purge gas generating fuel cell, and the reformed gas discharged without consuming hydrogen can be used for power generation or combustion. It can be done. Further, by storing the purge gas in the purge gas tank in this way, it is possible to cope with an emergency shutdown of the system and to prevent the purge gas from being insufficient for purging. .
[0033]
In the invention of claim 4, as the reformed gas to be supplied to the purge gas generating fuel cell, one supplied from a flow path branched from the reformed gas supply flow path for supplying the reformed gas to the power generation fuel cell is used. As a result, the reformed gas is supplied directly to the purge gas generating fuel cell through the reformed gas supply channel branched from the reformed gas supply channel without consuming hydrogen in the power generation fuel cell. However, the hydrogen concentration of the reformed gas supplied to the purge gas generating fuel cell is high, and the reaction between oxygen in the air and hydrogen in the reformed gas in the purge gas generating fuel cell increases, thereby consuming oxygen. The amount is increased, and an inert purge gas having a lower oxygen concentration can be obtained. Further, since the amount of oxygen that reacts with hydrogen in the reformed gas increases, the flow rate of air supplied to the purge gas generating fuel cell can be increased, and a large amount of purge gas can be obtained in a short time.
[0034]
In the invention of claim 5, exhaust air discharged from the power generation fuel cell is used as the air supplied to the purge gas generation fuel cell, so that oxygen is consumed in the power generation fuel cell and the oxygen concentration is low. The exhausted air thus supplied is supplied to the purge gas generating fuel cell, and an inert purge gas having a lower oxygen concentration can be obtained. In addition, since the oxygen concentration of the exhaust air that reacts with the reformed gas in the purge gas generation fuel cell is low, the amount of reaction is reduced, and the amount of power generation accompanying this power generation is also reduced, thereby reducing the loss of electrical energy due to power generation. It can be done.
[0035]
In the invention of claim 6, the reformed gas supplied to the purge gas generating fuel cell is supplied from a flow path branched from the reformed gas supply flow path for supplying the reformed gas to the power generation fuel cell. In addition, exhaust air discharged from the power generation fuel cell is used as air to be supplied to the purge gas generating fuel cell, so that a more inert purge gas having a lower oxygen concentration can be obtained. is there.
[0036]
In the invention of claim 7, since the power generating fuel cell and the purge gas generating fuel cell are integrated, the entire system can be miniaturized.
[0037]
In the invention of claim 8, since the purge gas generating fuel cell is formed by a single cell, the internal resistance of each cell as in the case where the purge gas generating fuel cell is formed by a plurality of cells is used. The amount of power generated in each cell varies depending on the variation of the etc., and depending on the cell, it is possible to prevent the reverse reaction of generating hydrogen and oxygen due to electrolysis and stabilizing the purge gas with low oxygen concentration. It can be generated by the process and eliminates the danger of ignition.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an example of an embodiment of the invention of claim 1;
FIG. 2 is a schematic view showing an example of an embodiment of the invention of claim 2;
3 is a schematic view showing an example of an embodiment of the invention of claim 3. FIG.
4 is a schematic view showing an example of an embodiment of the invention of claim 4; FIG.
5 is a schematic view showing an example of an embodiment of the invention of claim 5. FIG.
6 is a schematic view showing an example of an embodiment of the invention of claim 6. FIG.
7 is a schematic perspective view showing an example of an embodiment of the invention of claim 7. FIG.
8 is a schematic perspective view showing an example of an embodiment of the invention of claim 8. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell for power generation 2 Fuel cell for purge gas generation 3 Load resistance 4 Purge gas tank 5 Reformed gas supply flow path 6 Reformed gas supply flow path

Claims

A hydrogen-rich reformed gas and air are supplied, and a power generation fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen in the reformed gas with oxygen in the air, and the reformed gas and air are supplied in the reformed gas. A fuel cell power generation system comprising: a purge gas generating fuel cell that generates nitrogen-rich purge gas by causing oxygen in the air to react by reacting hydrogen in the air with oxygen in the air.

2. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein a load resistor is connected to the purge gas generating fuel cell.

3. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein a purge gas tank that stores purge gas generated by the purge gas generation fuel cell is connected to the purge gas generation fuel cell. 4.

2. The reformed gas supplied to the purge gas generating fuel cell is one that is supplied from a flow path branched from a reformed gas supply flow path that supplies the reformed gas to the power generation fuel cell. 4. The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3.

4. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein exhaust air discharged from the power generation fuel cell is used as air supplied to the purge gas generation fuel cell.

As the reformed gas supplied to the purge gas generating fuel cell, one supplied from a reformed gas supply channel for supplying the reformed gas to the power generation fuel cell is used, and the purge gas generating 4. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein exhaust air discharged from the power generation fuel cell is used as air supplied to the fuel cell.

7. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the power generation fuel cell and the purge gas generation fuel cell are integrated.

8. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the purge gas generating fuel cell is formed of a single cell.