JP4544392B2

JP4544392B2 - Fuel cell system

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Publication number: JP4544392B2
Application number: JP2002360757A
Authority: JP
Inventors: 弘鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP2004193001A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質器を有する燃料電池システムにおいて改質、生成された水素リッチな燃料ガスのうち燃料電池（ＦＣ）にて使用されなかったガス（オフガス）の処理装置その他の処理システム、詳細には、改質器における燃焼部へのオフガス投入に際しての圧損の影響が改善された燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、原燃料を水素リッチな燃料ガスに変換する改質器を備え、該改質器の燃焼部へ水素オフガスを供給する燃料電池システムが、これを使用した自動車や住宅等の種々の分野において広く利用されている。
【０００３】
例えば、特開２００２−２８００４２号公報には、燃料ガスの燃焼に対して影響を与えることなく、供給された燃料排ガスを燃焼させ、改質器の加熱を促進し、改質率を向上することを目的として、燃料を燃焼させる燃焼バーナから排出された燃料燃焼ガスを供給する加熱通路によって改質器を加熱する燃料改質器において前記加熱通路に燃料電池のアノード極オフガスを噴出させて燃焼させる燃料改質器用オフガス燃焼器が開示されている（特許文献１）。
【０００４】
しかし、このオフガス燃焼器に係る技術では、改質器の燃焼部内圧によりオフガス供給量が変動し、効果的にガスを還流することができない。
【０００５】
また、燃料電池システムにおける水素オフガスを改質器バーナへ還流する技術として、特開平２−１８８７０号公報には、パージガス置換の簡潔化を目的として提案された燃料電池発電装置の運転停止方法において、燃料電池からのオフガスが改質器のバーナに熱源として供給される技術（特許文献２）が、また特開平８−３２９９６７号公報には、改質ガスの外部へのリーク防止等を目的として提案された燃料電池発電プラントにおいて、改質器を加熱するバーナに燃料電池の燃料極出口の排ガスを供給する燃料極出口配管を接続して、該燃料極出口の排ガスを吸引装置で該改質器バーナに吸引する技術（特許文献３）が開示されている。
【０００６】
しかし、これらの技術でも、改質器にオフガスを投入する際に燃焼部やポンプ等の圧力による影響を受け、未だ満足した効果が得られていないのが現状である。
【０００７】
ところで、図３は、改質器の燃焼部へオフガスを供給する従来の燃料電池システムの一例を示す構成ブロック図である。図３に示すように、従来の燃料電池システムでは、燃焼部にエアーを供給するためのエアーポンプの外側（下流側）で、オフガスの供給を行う構成となっている（図３の丸囲い部分参照）。このような構成では、改質器により生成された改質ガスの圧力は、燃料電池及びその周辺機器、例えば配管、弁、凝縮器等による圧損の影響を受ける。これにより、オフガスとして改質器に供給するための圧力は、大気圧レベルまで低下してしまう。このため、改質器により生成された改質ガスを燃料電池に供給し、該燃料電池にて消費されなかった残水素の混ざったオフガスを燃焼部に供給する場合、オフガスの供給圧が低いため、該燃焼部や配管等の圧力損失によりオフガスを供給できないという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２８００４２号公報
【特許文献２】
特開平２−１８８７０号公報
【特許文献３】
特開平８−３２９９６７号公報
【本発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的は、改質器へのオフガス投入に際しての圧損の影響が改善され、所定の圧力で以って安定にオフガスを供給できる燃料電池システムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、改質器へのオフガス投入に際して、オフガスの供給量制御を容易に行うことのできる燃料電池システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、原燃料に対して燃焼熱を付与する燃焼部と該燃焼部から受ける熱量により前記原燃料を内部で蒸発させて気化ガスにする蒸発部とからなる燃焼蒸発部を少なくとも備え且つ原燃料の前記気化ガスを水素リッチな燃料ガスに変換する改質器と、
該改質器で得られた前記燃料ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池と、
該燃料電池から排出された該燃料電池で未使用の前記燃料ガスである水素オフガスを空気と混合し、該水素オフガス及び該空気からなる混合ガスとして前記燃焼部に供給する混合部と、
該混合部から供給される前記混合ガスを輸送するポンプと、
を備えることを特徴とする燃料電池システムを提供することにより、前記目的を達成したものである。
【００１１】
即ち、本発明の燃料電池システムは、かかる構成を有するものであるため、改質器へのオフガス投入に際しての圧損の影響が改善され、所定の圧力で以って安定にオフガスを供給することができる。また、本発明の燃料電池システムによれば、エネルギー効率を高めることができ、特に燃料電池自動車等への搭載に有用である。
【００１２】
また、前記燃料電池から排出された前記水素オフガスの前記混合部までの流路に、該水素オフガスの一部を排気するための排気部を更に備える、前記燃料電池システムを提供するものである。この構成からなる燃料電池システムによれば、送給量を調整しつつオフガスを供給できるため、供給圧を所定圧に保持しながらオフガスの供給量制御を容易に行うことができる。
【００１３】
また、本発明は、前記改質器が、更に改質部及びＣＯ低減部を備え、該改質部で前記原燃料の改質反応により改質ガスを生成し、該ＣＯ低減部で該改質ガスに含有される所定量の一酸化炭素を酸化、低減させて燃料ガスを得る、前記燃料電池システムを提供するものである。
この構成からなる燃料電池システムによれば、燃焼蒸発部以降の改質部、ＣＯ低減部その他の周辺機器による圧力損失の影響を受けずに、前記効果を達成できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムを、その好ましい実施形態に基づいて図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の燃料電池システムの一例を示す概略ブロック図である。
図１に示すように、本発明に係る燃料電池システム２０は、燃焼部１１ａ及び蒸発部１１ｂからなる燃焼蒸発部１１と改質部１２とＣＯ低減部１３を備え且つ原燃料（図示せず）を水素リッチな燃料ガスに変換する改質器１と、改質器１で得られた燃料ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池（ＦＣ）４０と、燃料電池４０から排出された該燃料電池４０で消費されなかった燃料ガスの残水素である水素オフガスを、エアーフィルター４を介して供給された空気と混合し、水素オフガス及び空気からなる混合ガスとして燃焼蒸発部１１における燃焼部１１ａに供給する混合部２と、該混合部２から供給される混合ガスを輸送するポンプ３と、を備える構成を有している。
【００１６】
また、燃料電池システム２０は、改質器１のＣＯ低減部１３から燃料電池４０に燃料ガスを供給するための流路１ａと、燃料電池４０から混合部２に該燃料電池４０で排出された水素オフガスを供給するための流路２ａと、混合部２から改質器１の燃焼部１１ａに混合ガスを供給するための流路３ａとが配設されている。そして、燃料電池４０から混合部２に接続する流路２ａには、水素オフガスの一部を排気するための排気部５を備えており、排気部５及び流路２ａの該排気部５より下流位には、それぞれオフガスの流量調整弁５ｂ，２ｂが設けられている。
【００１７】
このように、本発明に係る燃料電池システム２０は、図３に示した従来の燃料電池システムと異なり、改質器１の燃焼部１１ａにエアーを供給するためのポンプ３のＩＮ側（上流側）で、オフガスの供給を行う構成となっている。このような構成を有する燃料電池システム２０は、改質器１により生成された改質ガスの圧力がオフガスとして改質器１に供給するための所定圧を保持でき、該燃焼蒸発部１１や該燃焼蒸発部１１以降の改質部１２、ＣＯ低減部１３、燃料電池４０、配管（流路１ａ，２ａ，３ａ）等による圧力損失が改善され、容易にオフガスの供給量制御をしつつ、安定にオフガスを改質器１の燃焼部１１ａに供給できる。さらに、燃料電池システム２０は、大気開放の状態でオフガスを供給できるので、圧力損失の影響を受けず低出力から高出力まで安定して供給できる。
【００１８】
図２は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す主要ブロック図である。図２に示すように、本実施形態の燃料電池システム３０は、原燃料としてのメタノールを貯留するメタノールタンク２１、水を貯留する水タンク２２、両タンク２１，２２から供給されたメタノール及び水に対して燃焼熱を付与する燃焼部１１ａ及び該燃焼部１１ａから受ける熱量によりメタノール及び水を内部で蒸発させて気化ガスにする蒸発部１１ｂからなる燃焼蒸発部１１とメタノールの改質反応を行なう改質部１２と改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減して燃料ガスを得るＣＯ低減部１３とからなる改質器１、改質器１で得られた燃料ガスが流路１ａを介して供給されて電気化学反応により起電力を得る燃料電池４０、圧縮空気を蓄えるエアタンク３１、圧縮空気を補助的に供給するコンプレッサ３２、燃料電池４０から流路２ａを介して排出された水素オフガスをエアタンク３１から導入される空気と混合し混合ガスとして流路３ａを介して改質器１の燃焼部１１ａに供給する混合部２、燃料電池４０から排出された水素オフガスの混合部２までの流路２ａに該水素オフガスの一部を排気するための排気部５、排気部５の下流位の流路に設けられた流量調整弁５ｂ、流路２ａに設けられた流量調整弁２ｂ、混合部２から供給される混合ガスを輸送するポンプ３、コンピュータにより構成される制御部６を主な構成要素とする。尚、図２において、図１と対応する部分には同一符号を付してあり、特に詳述しない限り、図１に係る部分と同様である。
【００１９】
燃料電池システム３０においては、制御部６は、流量調整弁２ｂ，５ｂ、及びポンプ３に少なくとも接続されており、図示しない流量センサにより検出された信号に基づいて、オフガスの改質器１の燃焼部１１ａへの供給圧を所定圧に保持して供給量が適量になるように、この流量調整弁２ｂ，５ｂ、ポンプ３それぞれを駆動させてオフガス供給量を制御する。即ち、燃料電池４０の出力の高低に応じて、流量調整弁２ｂ，５ｂの開度及びポンプ３の輸送量を適宜制御する。
【００２０】
この制御部６は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、図示しない流量センサからの検出信号を入力すると共にＣＰＵでの演算結果に応じて既述した流量調整弁２ｂ，５ｂやポンプ３等に駆動信号を出力する入出力ポート等を備える（図２参照）。
【００２１】
燃料電池システム３０に用いられる改質器１は、原燃料としてのメタノールから、水素（Ｈ₂分子）がリッチな燃料ガスを生成するものである。図２に示すように、改質器１は、燃焼部１１ａと蒸発部１１ｂからなる燃焼蒸発部１１、改質部１２及びＣＯ低減部１３から構成されている。
【００２２】
また、本実施形態においては原燃料としてメタノールを用いているが、本発明に使用可能な原燃料としては、改質に必要なＨ原子を分子内に少なくとも有する限り特に制限を受けず、例えば、無置換の炭化水素（Ｃ_nＨ_m；n,mは整数）の他、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボニル基（−ＣＯ−）等の置換基や酸素原子（Ｏ）等のヘテロ原子を含有する炭化水素等を用いることができる。そのような原燃料の具体例としては、メタン（ＣＨ₄）、エタン（Ｃ₂Ｈ₅）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、ブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ）、エタノール（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）、ＤＭＥ（ＣＨ₃ＯＣＨ₃）、アセトン（ＣＨ₃Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ₃）等が挙げられる。
【００２３】
これらの原燃料の中でも、メタノールは比較的低い温度で改質反応を行うことができるため、燃料電池システムの運転及び停止を繰り返す必要のある用途に用いる場合には好ましい。また、メタノールは所定体積の他の原燃料に比して改質反応で生じる改質ガス（燃料ガス）から得られるエネルギ量が多い原燃料である。従って、燃料電池システムを車両に搭載し、この燃料電池システムによって車両駆動用電源である燃料電池に燃料ガスを供給する場合のように、移動を伴う用途に燃料電池システムを用いる場合には有利である。
【００２４】
また、原燃料としてのメタノールは、水とともに改質器１に供給される。
改質器１における燃焼蒸発部１１は、燃焼部１１ａ及び蒸発部１１ｂから構成され、該蒸発部１１ｂにおいてメタノールタンク及び水タンクからメタノールと水との供給を受け、これらメタノールと水とを、燃焼部１１ａが付与する熱量で気化させる。この燃焼蒸発部１１で気化されたメタノール及び水は、改質部１２に導かれそこで水蒸気改質反応が進行する。
【００２５】
メタノールと水とが混合される割合は、下記（１）式〜（３）式に示す水蒸気改質反応が充分に進行可能となる量であって、生成された改質ガス中に、燃料電池に供給する燃料ガスとして充分量の水蒸気が含まれるようになる量として定められる。
ＣＨ₃ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ₂− ９０．０（kJ/mol）…（１）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４０．５（kJ/mol）…（２）
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋３Ｈ₂− ４９．５（kJ/mol）…（３）
【００２６】
燃焼蒸発部１１における燃焼部１１ａは、蒸発部１１ｂ内でのメタノールの気化のための熱量を付与するとともに、メタノールの改質反応（吸熱反応）を行う際に必要な熱量を発生し、改質部１２でのメタノールの改質反応のために熱量をも付与するものである。この燃焼蒸発部１１は、原燃料であるメタノール及び水の流路となる被加熱流体流路（蒸発部１１ｂ側）と、該原燃料との間で熱交換を行い且つこれを気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路（燃焼部１１ａ側）とをそれぞれ備えている（図示せず）。そして、燃焼蒸発部１１では、加熱流体流路の燃焼ガスによる燃焼熱によって、被加熱流体流路のメタノールと水とを沸騰、気化（蒸発）させる。燃焼蒸発部１１における加熱流体流路の管内部には、電気触媒加熱ヒータ（ＥＨＣ）が配設されており、加熱環境下での触媒作用によって燃焼用流体を燃焼させて燃焼ガスを発生する。燃焼ガスを発生させるための燃焼用流体は、燃料電池４０から供給されるオフガスとエアタンク３１からの供給される空気とが混合された混合ガス、及びメタノールタンク２１から供給されるメタノールが使用される。従って、燃焼蒸発部１１における燃焼部１１ａには、燃料電池４０からのオフガスとエアタンク３１からの空気との混合ガスが混合部２、ポンプ３、流路３ａ及び流路３ａ内の図示しない流量調整弁を介して燃焼用ガスとして供給されるとともに、メタノールタンク２１から燃焼用メタノールが図示しないポンプを介して供給される。また、燃料電池４０から供給される後述の酸化排ガスも、これらと併せて燃焼ガスに使用される。
【００２７】
改質器１における改質部１２では、燃焼蒸発部１１にて気化されたメタノールと水とからなる原燃料ガスが供給されて、水蒸気改質反応（前記式（１）〜（３）の反応）が進行して水素リッチな改質ガスが生成される。改質部１２は、燃焼蒸発部１１で発生した燃焼ガスが供給される他に、内部を加熱する手段として図示しない電気式のヒータを備えており、改質器１が定常状態となったときには、このヒータによって改質部１２内部を水蒸気改質反応に適した温度に維持することも可能となっている。改質部１２には、改質反応を促進する触媒金属であるＣｕ−Ｚｎ触媒で形成されたペレットが充填されており、十分に昇温されたメタノール及び水の気化ガスの供給を受けて水蒸気改質反応を進行させ、水素リッチな改質ガスが生成される。
【００２８】
また、改質器１におけるＣＯ低減部１３では、改質部１２にて生成した改質ガス（所定量の一酸化炭素（ＣＯ）を含有する水素リッチガス）が供給され、改質ガス中の水素に優先して一酸化炭素の酸化が行なわれる。ＣＯ低減部１３には、一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。また、ＣＯ低減部１３における一酸化炭素の選択酸化反応は、酸素を含有する酸化ガスによって進行し、この酸化ガスは、エアタンク３１から圧縮空気として供給される。このようにして、ＣＯ低減部１３において、改質ガスの一酸化炭素濃度が下げられる。ＣＯ低減部１３で上記のように一酸化炭素濃度が下げられた燃料ガスは、後述する燃料電池４０に導かれ、アノード側における電池反応に供される。
【００２９】
尚、本実施形態における改質器１は前述の構成としているが、本発明に係る改質器としては特に制限を受けるものではない。例えば、ＣＯ低減部を器外に設けて器内を燃焼蒸発部と改質部から構成した改質器であってもよい。
【００３０】
燃料電池４０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル４８を複数積層したスタック構造を有している。図４は、燃料電池４０を構成する単セル４８の構成を例示する断面図である。単セル４８は、電解質膜４１と、アノード４２およびカソード４３と、セパレータ４４，４５とから構成されている。
【００３１】
アノード４２およびカソード４３は、電解質膜４１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ４４，４５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード４２およびカソード４３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード４２とセパレータ４４との間には燃料ガス流路４４Ｐが形成されており、カソード４３とセパレータ４５との間には酸化ガス流路４５Ｐが形成されている。セパレータ４４，４５は、図４ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面にリブが形成されており、片面はアノード４２との間で燃料ガス流路４４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード４３との間で酸化ガス流路４５Ｐを形成する。このように、セパレータ４４，４５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル４８を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけリブを形成することとしてもよい。
【００３２】
ここで、電解質膜４１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
本実施形態では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜４１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌ社、ＮａｆｉｏｎＳｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、電解質膜４１上にスクリーン印刷するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質膜４１上にプレスする構成も好適である。
【００３３】
アノード４２およびカソード４３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本実形態では、アノード４２およびカソード４３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
【００３４】
セパレータ４４，４５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ４４，４５はその両面に、平行に配置された複数のリブを形成しており、既述したように、アノード４２の表面とで燃料ガス流路４４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード４３の表面とで酸化ガス流路４５Ｐを形成する。ここで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面ともに平行に形成する必要はなく、面毎に直行するなど所定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。
【００３５】
以上、燃料電池４０の基本構造である単セル４８の構成について説明した。実際に燃料電池４０として組み立てるときには、セパレータ４４、アノード４２、電解質膜４１、カソード４３、セパレータ４５の順序で構成される単セル４８を複数組積層し（本実施形態では１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板４６，４７を配置することによって、スタック構造を構成する。
【００３６】
燃料電池４０で起こる電気化学反応は、下記式に示す通りである。（４）式はアノードにおける反応、（５）式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では（６）式に示す反応が進行する。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（５）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（６）
【００３７】
燃料ガス中に一酸化炭素が含まれる場合には、この一酸化炭素が白金触媒に吸着して触媒としての機能を低下させ、アノードにおける反応（（４）式の反応）を阻害して燃料電池の性能を低下させてしまう。そのため、燃料電池４０のような固体高分子型の燃料電池を用いて発電を行なうためには、供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定量以下に低減して電池性能の低下を防ぐことが必須となる。なお、このような固体高分子型燃料電池において、供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度としての許容濃度は通常は数ｐｐｍ程度以下である。本実施形態の燃料電池システム３０は、前述のＣＯ低減部１３から供給される一酸化炭素濃度が許容濃度の範囲内にあるため有用である。
【００３８】
また、燃料電池システム３０において、メタノールタンク２１から改質器１に原燃料であるメタノールを送り込むメタノール流路には図示しないポンプが別に設けられており、メタノール量を調節可能となっている。このポンプは、制御部６に接続されており、制御部６から出力される信号によって駆動され、改質器１（蒸発部１１ｂ）に供給するメタノール流量を調節する。
【００３９】
水タンク２２から改質器１に水を送り込む給水路にも図示しないポンプが別に設けられており、改質器１に供給する水の量を調節可能となっている。このポンプは、メタノール量の調節のための上記ポンプと同じく制御部６に接続されており、制御部６から出力される信号によって駆動され、改質器１（蒸発部１１ｂ）に供給する水量を調節する。
【００４０】
また、燃料電池４０のカソード側における電池反応に関わる酸化ガスは、エアタンク３１から空気供給路３３を介して圧縮空気として供給される。空気供給路３３には図示しない流量調整器が設けられており、エアタンク３１から燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調節可能となっている。酸化ガスは電池反応に供された後に酸化排ガスとなる。この際には、燃料電池４０の酸素極側において既述した（５）式の反応によって水が生じる。このため、酸化排ガス中の生成水を回収し、回収した水を再利用している。回収された生成水は、水回収路を介して水タンク２２に供給され、改質器１における燃焼蒸発部１１の蒸発部１１ｂを経て改質部１２で行なわれるメタノールの水蒸気改質反応に供される。また、生成水を回収された酸化排ガスは、図示しない排ガス回収路を経由して燃焼蒸発部１１の燃焼部１１ａに供給される。燃料電池４０での電気化学反応に供された後に排出される酸化排ガスには酸素が残留しているため、燃焼蒸発部１１に供給された酸化排ガスは、燃焼蒸発部１１の燃焼部１１ａでの燃焼反応に要する酸化ガスとして働く。
【００４１】
エアタンク３１は、図示しない圧縮機で加圧された空気が供給された圧縮空気を貯留するものである。エアタンク３１には、圧力センサ３４が設けられ、また該エアタンク３１内の空気量が不足するときこれを補うためのコンプレッサ３２が併設されている。圧力センサ３４は、制御部６に接続されている。制御部６は、この圧力センサ３４からの入力信号を基にエアタンク３１内の空気量を判断し、空気量が不足であると判断した場合にはコンプレッサ３２に対して駆動信号を出力し、エアタンク３１内に供給される圧縮空気量が充分量となるよう制御する。
【００４２】
なお、図２には示さなかったが、燃料電池システム３０は、燃料電池４０とは別に所定の２次電池を備えている。この２次電池は、燃料電池システム３０の起動時において燃料電池４０から充分な電力の供給が得られない間に、既述したコンプレッサ３２や各種ポンプなどを駆動するための電源として利用される。
【００４３】
燃料電池システム３０におけるシステム始動時の動作及び運転状態が定常状態となるときの動作については、前述した燃料電池システム３０を実施し得る限り特に制限されず、通常公知の動作によって処理される。
【００４４】
以上既述した実施形態では、改質器１が有する改質部１２で進行する改質反応は、水蒸気改質反応を含むものとしたが、これに加えて部分酸化改質反応を含むこととしてもよい。酸化改質反応で生じる熱量を利用して水蒸気改質反応を行う場合には、ヒータで加熱しながら水蒸気改質反応を行う場合よりもさらにエネルギ効率が向上する。また、改質部１２においては、必ずしも水蒸気改質反応を行なう必要はなく、メタノールなどの液体原燃料を用いて酸化改質反応だけによって改質ガスを生成することとしてもよい。
【００４５】
また、既述した実施形態では、改質器１で原燃料を改質して得た燃料ガスを供給される燃料電池は、固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池を備える燃料電池システムとしてもよい。特に、燃料電池としてリン酸型燃料電池や固体電解質型燃料電池を用いる場合には、既述した実施形態の燃料電池システムの構成を準用することが可能である。
【００４６】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態により何等限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜変更形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の燃料電池システムの一例を示す概略ブロック図である。
【図２】図２は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す主要ブロック図である。
【図３】図３は、改質器の燃焼部へオフガスを供給する従来の燃料電池システムの一例を示す概略ブロック図である。
【図４】図４は、本発明の燃料電池システムの一実施形態に用いられる燃料電池を構成する単セルの構成を例示する断面図である。
【符号の説明】
２０，３０…燃料電池システム、１…改質器、１１…燃焼蒸発部、１１ａ…燃焼部、１１ｂ…蒸発部、１２…改質部、１３…ＣＯ低減部、２…混合部、３…ポンプ、４…エアーフィルター、５…排気部、１ａ，２ａ，３ａ…流路、２ｂ，５ｂ…流量調整弁、２１…メタノールタンク、２２…水タンク、３１…エアタンク、３２…コンプレッサ、３３…空気供給路、３４…圧力センサ、４０…燃料電池、４１…電解質膜、４２…アノード、４３…カソード、４４，４５…セパレータ、４４Ｐ…燃料ガス流路、４５Ｐ…酸化ガス流路、４６，４７…集電板、４８…単セル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a processing apparatus and other processing systems for a gas (off-gas) that has not been used in a fuel cell (FC) among hydrogen-rich fuel gas reformed and generated in a fuel cell system having a reformer, and details In particular, the present invention relates to a fuel cell system in which the influence of pressure loss upon the introduction of off-gas to a combustion section in a reformer is improved.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a fuel cell system that includes a reformer that converts raw fuel into hydrogen-rich fuel gas and supplies hydrogen off-gas to the combustion section of the reformer has been used in various fields such as automobiles and houses. Widely used.
[0003]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-280042 discloses that the supplied fuel exhaust gas is burned without affecting the combustion of the fuel gas, the heating of the reformer is promoted, and the reforming rate is improved. In the fuel reformer for heating the reformer by the heating passage for supplying the fuel combustion gas discharged from the combustion burner for burning the fuel, the anode electrode off-gas of the fuel cell is jetted into the heating passage for combustion. An off-gas combustor for a fuel reformer is disclosed (Patent Document 1).
[0004]
However, in the technology related to this off-gas combustor, the off-gas supply amount varies due to the internal pressure of the combustion section of the reformer, and the gas cannot be recirculated effectively.
[0005]
Further, as a technique for recirculating hydrogen off-gas in a fuel cell system to a reformer burner, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-18870 discloses a fuel cell power generation apparatus shutdown method proposed for the purpose of simplifying purge gas replacement. A technique (Patent Document 2) in which off-gas from a fuel cell is supplied as a heat source to a burner of a reformer is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-329967 for the purpose of preventing leakage of reformed gas to the outside. In this fuel cell power plant, a fuel electrode outlet pipe for supplying exhaust gas at the fuel electrode outlet of the fuel cell is connected to a burner for heating the reformer, and the exhaust gas at the fuel electrode outlet is connected to the reformer by a suction device. A technique for sucking into a burner (Patent Document 3) is disclosed.
[0006]
However, even with these technologies, when the off gas is introduced into the reformer, it is affected by the pressure of the combustion section, the pump, etc., and a satisfactory effect has not yet been obtained.
[0007]
FIG. 3 is a block diagram showing an example of a conventional fuel cell system that supplies off-gas to the combustion section of the reformer. As shown in FIG. 3, the conventional fuel cell system is configured to supply off-gas outside (downstream side) of the air pump for supplying air to the combustion section (the circled portion in FIG. 3). reference). In such a configuration, the pressure of the reformed gas generated by the reformer is affected by pressure loss due to the fuel cell and its peripheral devices such as piping, valves, and condensers. As a result, the pressure to be supplied to the reformer as off-gas decreases to the atmospheric pressure level. For this reason, when the reformed gas generated by the reformer is supplied to the fuel cell and the off-gas mixed with the residual hydrogen that has not been consumed by the fuel cell is supplied to the combustion section, the supply pressure of the off-gas is low. There is a problem in that off-gas cannot be supplied due to pressure loss in the combustion section or piping.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2002-280042 A
[Patent Document 2]
JP-A-2-18870
[Patent Document 3]
JP-A-8-329967
[Problems to be solved by the present invention]
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the influence of pressure loss upon introduction of off-gas into a reformer is improved and off-gas can be stably supplied at a predetermined pressure.
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that can easily control the supply amount of off gas when the off gas is supplied to the reformer.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention comprises at least a combustion evaporating section comprising a combustion section that applies combustion heat to the raw fuel and an evaporating section that evaporates the raw fuel and vaporizes it by the amount of heat received from the combustion section. A reformer that converts the vaporized gas of fuel into a hydrogen-rich fuel gas;
A fuel cell that generates electricity upon receiving the supply of the fuel gas obtained by the reformer;
A mixing unit that mixes hydrogen off-gas, which is unused in the fuel cell discharged from the fuel cell, with air, and supplies the hydrogen off-gas and a mixed gas composed of the air to the combustion unit;
A pump for transporting the mixed gas supplied from the mixing section;
The above object is achieved by providing a fuel cell system comprising:
[0011]
That is, since the fuel cell system of the present invention has such a configuration, the influence of pressure loss upon offgas injection into the reformer is improved, and the offgas can be stably supplied at a predetermined pressure. it can. Moreover, according to the fuel cell system of the present invention, energy efficiency can be increased, and it is particularly useful for mounting on a fuel cell vehicle or the like.
[0012]
The fuel cell system further includes an exhaust part for exhausting a part of the hydrogen off gas in a flow path to the mixing part of the hydrogen off gas discharged from the fuel cell. According to the fuel cell system having this configuration, the off gas can be supplied while adjusting the supply amount, and therefore, the off gas supply amount can be easily controlled while maintaining the supply pressure at a predetermined pressure.
[0013]
Further, according to the present invention, the reformer further includes a reforming unit and a CO reduction unit, the reforming unit generates a reformed gas by a reforming reaction of the raw fuel, and the CO reduction unit generates the reforming gas. The fuel cell system provides a fuel gas by oxidizing and reducing a predetermined amount of carbon monoxide contained in a gas.
According to the fuel cell system having this configuration, the above-described effect can be achieved without being affected by pressure loss due to the reforming section after the combustion evaporation section, the CO reduction section, and other peripheral devices.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell system of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments with reference to the drawings.
[0015]
FIG. 1 is a schematic block diagram showing an example of the fuel cell system of the present invention.
As shown in FIG. 1, a fuel cell system 20 according to the present invention includes a combustion evaporation section 11, a reforming section 12, and a CO reduction section 13 including a combustion section 11a and an evaporation section 11b, and a raw fuel (not shown). Is converted to hydrogen-rich fuel gas, the fuel gas (FC) 40 that receives the supply of the fuel gas obtained by the reformer 1 to generate electricity, and the fuel cell 40 discharged from the fuel cell 40 The hydrogen off-gas, which is the remaining hydrogen of the fuel gas that has not been consumed in the fuel cell 40, is mixed with the air supplied through the air filter 4, and the combustion section 11a in the combustion evaporation section 11 is mixed with the hydrogen off-gas and air. And a pump 3 that transports the mixed gas supplied from the mixing unit 2.
[0016]
The fuel cell system 20 is discharged from the fuel cell 40 to the mixing unit 2 from the fuel cell 40 and the flow path 1a for supplying the fuel gas to the fuel cell 40 from the CO reduction unit 13 of the reformer 1. A flow path 2a for supplying hydrogen off-gas and a flow path 3a for supplying mixed gas from the mixing section 2 to the combustion section 11a of the reformer 1 are provided. The flow path 2a connected from the fuel cell 40 to the mixing section 2 includes an exhaust section 5 for exhausting a part of the hydrogen off-gas, and is downstream of the exhaust section 5 and the exhaust section 5 of the flow path 2a. On the other hand, off-gas flow control valves 5b and 2b are respectively provided.
[0017]
Thus, the fuel cell system 20 according to the present invention differs from the conventional fuel cell system shown in FIG. 3 in the IN side (upstream side) of the pump 3 for supplying air to the combustion unit 11a of the reformer 1. ) Is configured to supply off-gas. The fuel cell system 20 having such a configuration can maintain a predetermined pressure for supplying the reformed gas generated by the reformer 1 to the reformer 1 as an off-gas. Pressure loss due to the reforming unit 12, the CO reduction unit 13, the fuel cell 40, the piping (flow paths 1a, 2a, 3a) after the combustion evaporation unit 11 is improved, and the supply amount of off-gas is easily controlled and stable. In addition, off-gas can be supplied to the combustion section 11a of the reformer 1. Further, since the fuel cell system 20 can supply off-gas in an open state, it can be stably supplied from low output to high output without being affected by pressure loss.
[0018]
FIG. 2 is a main block diagram showing an embodiment of the fuel cell system of the present invention. As shown in FIG. 2, the fuel cell system 30 of the present embodiment includes a methanol tank 21 that stores methanol as a raw fuel, a water tank 22 that stores water, and methanol and water supplied from both tanks 21 and 22. On the other hand, the combustion part 11a which gives combustion heat, and the combustion evaporation part 11 which consists of the evaporation part 11b which evaporates methanol and water inside to make vaporized gas by the amount of heat received from the combustion part 11a, and reforming which performs the reforming reaction of methanol. The reformer 1 comprising the mass portion 12 and the CO reduction portion 13 for obtaining the fuel gas by reducing the carbon monoxide concentration in the reformed gas, and the fuel gas obtained by the reformer 1 passes through the flow path 1a. A fuel cell 40 that receives an electromotive force by an electrochemical reaction, an air tank 31 that stores compressed air, a compressor 32 that supplementarily supplies compressed air, and a flow path 2 a from the fuel cell 40. The hydrogen off gas discharged in this manner is mixed with the air introduced from the air tank 31 and supplied as a mixed gas to the combustion unit 11a of the reformer 1 through the flow path 3a, and the hydrogen discharged from the fuel cell 40. An exhaust part 5 for exhausting a part of the hydrogen off-gas to the flow path 2a to the off-gas mixing part 2, a flow rate adjusting valve 5b provided in the flow path downstream of the exhaust part 5, and a flow path 2a The main components are the flow rate adjusting valve 2b, the pump 3 for transporting the mixed gas supplied from the mixing unit 2, and the control unit 6 including a computer. 2, parts corresponding to those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and are the same as those in FIG. 1 unless otherwise specified.
[0019]
In the fuel cell system 30, the control unit 6 is connected to at least the flow rate adjusting valves 2 b and 5 b and the pump 3, and burns the off-gas reformer 1 based on a signal detected by a flow rate sensor (not shown). The off-gas supply amount is controlled by driving the flow rate adjusting valves 2b and 5b and the pump 3 so that the supply amount to the portion 11a is maintained at a predetermined pressure and the supply amount becomes an appropriate amount. That is, the opening degree of the flow rate adjusting valves 2b and 5b and the transport amount of the pump 3 are appropriately controlled according to the output level of the fuel cell 40.
[0020]
The control unit 6 is configured as a logic circuit centered on a microcomputer, and more specifically, a CPU that executes predetermined calculations according to a preset control program, and is necessary for executing various arithmetic processes by the CPU. Inputs detection signals from a flow sensor (not shown), a ROM in which control programs, control data, and the like are stored in advance, a RAM in which various data necessary for various arithmetic processes by the CPU are temporarily read and written The flow rate adjusting valves 2b and 5b and the input / output port for outputting a drive signal to the pump 3 and the like according to the calculation result in the CPU are provided (see FIG. 2).
[0021]
The reformer 1 used in the fuel cell system 30 is formed from methanol as a raw fuel, hydrogen (H ₂ This produces fuel gas rich in molecules. As shown in FIG. 2, the reformer 1 includes a combustion evaporation unit 11 including a combustion unit 11 a and an evaporation unit 11 b, a reforming unit 12, and a CO reduction unit 13.
[0022]
In this embodiment, methanol is used as the raw fuel, but the raw fuel usable in the present invention is not particularly limited as long as it has at least H atoms necessary for reforming in the molecule. Unsubstituted hydrocarbon (C _n H _m And n and m are integers), a substituent such as a hydroxyl group (—OH) or a carbonyl group (—CO—), or a hydrocarbon containing a heteroatom such as an oxygen atom (O) can be used. Specific examples of such raw fuel include methane (CH _Four ), Ethane (C ₂ H _Five ), Propane (C _Three H ₈ ), Butane (C _Four H _Ten ), Gasoline, light oil, natural gas, methanol (CH _Three OH), ethanol (C ₂ H _Five OH), DME (CH _Three OCH _Three ), Acetone (CH _Three C (= O) CH _Three ) And the like.
[0023]
Among these raw fuels, methanol can be subjected to a reforming reaction at a relatively low temperature, and thus is preferable for use in applications where it is necessary to repeatedly operate and stop the fuel cell system. Methanol is a raw fuel that has a larger amount of energy obtained from a reformed gas (fuel gas) generated by a reforming reaction than other raw fuels of a predetermined volume. Therefore, it is advantageous when the fuel cell system is used in an application involving movement, such as when the fuel cell system is mounted on a vehicle and fuel gas is supplied to the fuel cell as a power source for driving the vehicle by the fuel cell system. is there.
[0024]
Further, methanol as a raw fuel is supplied to the reformer 1 together with water.
The combustion evaporation section 11 in the reformer 1 includes a combustion section 11a and an evaporation section 11b. The evaporation section 11b receives supply of methanol and water from a methanol tank and a water tank, and combusts the methanol and water. Vaporization is performed by the amount of heat applied by the portion 11a. The methanol and water vaporized in the combustion evaporation section 11 are guided to the reforming section 12 where the steam reforming reaction proceeds.
[0025]
The ratio in which methanol and water are mixed is such that the steam reforming reaction shown in the following formulas (1) to (3) can sufficiently proceed, and the generated reformed gas contains a fuel cell. The amount of water vapor that is sufficient to be contained as a fuel gas to be supplied to is determined.
CH _Three OH → CO + 2H ₂ -90.0 (kJ / mol) (1)
CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂ + 40.5 (kJ / mol) (2)
CH _Three OH + H ₂ O → CO ₂ + 3H ₂ -49.5 (kJ / mol) (3)
[0026]
The combustion section 11a in the combustion evaporation section 11 provides heat for vaporizing methanol in the evaporation section 11b and generates heat necessary for reforming methanol (endothermic reaction). The amount of heat is also imparted for the reforming reaction of methanol in the section 12. The combustion evaporating section 11 performs heat exchange between the heated fluid flow path (evaporating section 11b side), which is a flow path of methanol and water, which are raw fuels, and the raw fuel, and vaporizes them. Each is provided with a heating fluid flow path (combustion part 11a side) that serves as a flow path for combustion gas (not shown). And in the combustion evaporation part 11, the methanol and water of a to-be-heated fluid flow path are boiled and vaporized (evaporated) with the combustion heat by the combustion gas of a heated fluid flow path. An electrocatalyst heater (EHC) is provided inside the pipe of the heating fluid flow path in the combustion evaporating section 11, and the combustion fluid is burned by a catalytic action in a heating environment to generate combustion gas. As the combustion fluid for generating the combustion gas, a mixed gas in which the off gas supplied from the fuel cell 40 and the air supplied from the air tank 31 are mixed, and methanol supplied from the methanol tank 21 are used. . Therefore, in the combustion section 11a of the combustion evaporation section 11, the mixed gas of the off gas from the fuel cell 40 and the air from the air tank 31 is adjusted to a flow rate (not shown) in the mixing section 2, the pump 3, the flow path 3a, and the flow path 3a. While being supplied as combustion gas via a valve, combustion methanol is supplied from the methanol tank 21 via a pump (not shown). Moreover, the below-mentioned oxidation exhaust gas supplied from the fuel cell 40 is also used for combustion gas together with these.
[0027]
The reformer 12 in the reformer 1 is supplied with a raw fuel gas composed of methanol and water vaporized in the combustion evaporator 11 to generate a steam reforming reaction (reactions of the above formulas (1) to (3)). ) Proceeds to produce hydrogen-rich reformed gas. The reforming unit 12 is provided with an electric heater (not shown) as a means for heating the inside in addition to being supplied with the combustion gas generated in the combustion evaporation unit 11, and when the reformer 1 is in a steady state. The heater can maintain the interior of the reforming unit 12 at a temperature suitable for the steam reforming reaction. The reforming unit 12 is filled with pellets formed of a Cu—Zn catalyst, which is a catalytic metal that promotes the reforming reaction, and is supplied with vaporized gas of sufficiently heated methanol and water, The reforming reaction proceeds to generate a hydrogen-rich reformed gas.
[0028]
Further, the CO reducing unit 13 in the reformer 1 is supplied with the reformed gas (hydrogen rich gas containing a predetermined amount of carbon monoxide (CO)) generated in the reforming unit 12, and hydrogen in the reformed gas. Carbon monoxide is oxidized in preference to the above. The CO reduction unit 13 is filled with a carrier carrying a platinum catalyst, a ruthenium catalyst, a palladium catalyst, a gold catalyst, or an alloy catalyst using these as a first element, which is a selective oxidation catalyst for carbon monoxide. Further, the selective oxidation reaction of carbon monoxide in the CO reduction unit 13 proceeds with an oxidizing gas containing oxygen, and this oxidizing gas is supplied from the air tank 31 as compressed air. In this way, the carbon monoxide concentration of the reformed gas is lowered in the CO reduction unit 13. The fuel gas whose carbon monoxide concentration has been lowered in the CO reduction unit 13 as described above is guided to the fuel cell 40 described later and used for the cell reaction on the anode side.
[0029]
Although the reformer 1 in the present embodiment has the above-described configuration, the reformer according to the present invention is not particularly limited. For example, a reformer in which a CO reduction unit is provided outside the chamber and the inside of the chamber is composed of a combustion evaporation unit and a reforming unit may be used.
[0030]
The fuel cell 40 is a solid polymer electrolyte type fuel cell and has a stack structure in which a plurality of unit cells 48 that are structural units are stacked. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the single cell 48 that constitutes the fuel cell 40. The single cell 48 includes an electrolyte membrane 41, an anode 42 and a cathode 43, and separators 44 and 45.
[0031]
The anode 42 and the cathode 43 are gas diffusion electrodes having a sandwich structure with the electrolyte membrane 41 sandwiched from both sides. The separators 44 and 45 form fuel gas and oxidizing gas flow paths between the anode 42 and the cathode 43 while sandwiching the sandwich structure from both sides. A fuel gas flow path 44P is formed between the anode 42 and the separator 44, and an oxidizing gas flow path 45P is formed between the cathode 43 and the separator 45. In FIG. 4, the separators 44 and 45 each have a flow path only on one side, but in reality, ribs are formed on both sides, and one side forms a fuel gas flow path 44 </ b> P with the anode 42. The other surface forms an oxidizing gas flow channel 45P with the cathode 43 provided in the adjacent single cell. As described above, the separators 44 and 45 form a gas flow path between the gas diffusion electrodes and play a role of separating the flow of the fuel gas and the oxidizing gas between the adjacent single cells. Of course, when the stack structure is formed by laminating the single cells 48, the two separators positioned at both ends of the stack structure may be formed with ribs only on one side in contact with the gas diffusion electrode.
[0032]
Here, the electrolyte membrane 41 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine-based resin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state.
In this embodiment, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) was used. The surface of the electrolyte membrane 41 is coated with platinum as a catalyst or an alloy made of platinum and other metals. As a method of applying the catalyst, carbon powder carrying platinum or an alloy made of platinum and other metals is prepared, and the carbon powder carrying the catalyst is dispersed in a suitable organic solvent, and an electrolyte solution (for example, Aldrich Chemical) is used. An appropriate amount of Nafion Solution) was added to form a paste and screen printed on the electrolyte membrane 41. Alternatively, a structure in which a sheet containing carbon powder supporting the catalyst is formed into a sheet and the sheet is pressed onto the electrolyte film 41 is also suitable.
[0033]
Both the anode 42 and the cathode 43 are formed of carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers. In this embodiment, the anode 42 and the cathode 43 are formed of carbon cloth. However, a configuration in which the anode 42 and the cathode 43 are formed of carbon paper or carbon felt made of carbon fiber is also suitable.
[0034]
The separators 44 and 45 are made of a gas-impermeable conductive member, for example, dense carbon that has been made to be gas-impermeable by compressing carbon. The separators 44 and 45 have a plurality of ribs arranged in parallel on both surfaces, and as described above, the fuel gas flow path 44P is formed with the surface of the anode 42, and the cathodes of adjacent single cells. The oxidizing gas flow path 45 </ b> P is formed with the surface of 43. Here, the ribs formed on the surface of each separator do not need to be formed in parallel on both surfaces, and may have a predetermined angle, such as being orthogonal to each surface. Also, the ribs need not be parallel grooves, as long as the fuel gas or the oxidizing gas can be supplied to the gas diffusion electrode.
[0035]
The configuration of the single cell 48 that is the basic structure of the fuel cell 40 has been described above. When the fuel cell 40 is actually assembled, a plurality of single cells 48 configured in the order of the separator 44, the anode 42, the electrolyte membrane 41, the cathode 43, and the separator 45 are stacked (in this embodiment, 100 sets), A stack structure is configured by arranging current collecting plates 46 and 47 formed of dense carbon, a copper plate, or the like.
[0036]
The electrochemical reaction that occurs in the fuel cell 40 is as shown in the following equation. Formula (4) represents the reaction at the anode, Formula (5) represents the reaction at the cathode, and the reaction shown by Formula (6) proceeds in the entire fuel cell.
H ₂ → 2H ⁺ + 2e ^- ... (4)
(1/2) O ₂ + 2H ⁺ + 2e ^- → H ₂ O ... (5)
H ₂ + (1/2) O ₂ → H ₂ O ... (6)
[0037]
When carbon monoxide is contained in the fuel gas, the carbon monoxide is adsorbed on the platinum catalyst to reduce its function as a catalyst, and inhibits the reaction at the anode (the reaction of the formula (4)). Will degrade the performance. Therefore, in order to generate power using a polymer electrolyte fuel cell such as the fuel cell 40, the concentration of carbon monoxide in the fuel gas to be supplied is reduced to a predetermined amount or less to prevent deterioration of the cell performance. Is essential. In such a polymer electrolyte fuel cell, the allowable concentration as the carbon monoxide concentration in the supplied fuel gas is usually about several ppm or less. The fuel cell system 30 of the present embodiment is useful because the carbon monoxide concentration supplied from the CO reduction unit 13 is within the allowable concentration range.
[0038]
In the fuel cell system 30, a pump (not shown) is separately provided in the methanol flow path for feeding methanol as raw fuel from the methanol tank 21 to the reformer 1, so that the amount of methanol can be adjusted. This pump is connected to the control unit 6 and is driven by a signal output from the control unit 6 to adjust the flow rate of methanol supplied to the reformer 1 (evaporation unit 11b).
[0039]
A pump (not shown) is also provided separately in the water supply path for supplying water from the water tank 22 to the reformer 1 so that the amount of water supplied to the reformer 1 can be adjusted. This pump is connected to the control unit 6 in the same manner as the above-described pump for adjusting the amount of methanol, and is driven by a signal output from the control unit 6 to control the amount of water supplied to the reformer 1 (evaporation unit 11b). Adjust.
[0040]
Further, the oxidizing gas involved in the cell reaction on the cathode side of the fuel cell 40 is supplied as compressed air from the air tank 31 via the air supply path 33. The air supply path 33 is provided with a flow rate regulator (not shown) so that the amount of oxidizing gas supplied from the air tank 31 to the fuel cell 40 can be adjusted. The oxidizing gas becomes an oxidizing exhaust gas after being subjected to the battery reaction. At this time, water is generated by the reaction of the formula (5) described above on the oxygen electrode side of the fuel cell 40. For this reason, the generated water in the oxidation exhaust gas is recovered, and the recovered water is reused. The recovered product water is supplied to the water tank 22 through the water recovery path, and is supplied to the methanol steam reforming reaction performed in the reforming unit 12 through the evaporation unit 11b of the combustion evaporation unit 11 in the reformer 1. Is done. The oxidized exhaust gas from which the produced water has been recovered is supplied to the combustion unit 11a of the combustion evaporation unit 11 via an exhaust gas recovery path (not shown). Since oxygen remains in the oxidized exhaust gas discharged after being subjected to the electrochemical reaction in the fuel cell 40, the oxidized exhaust gas supplied to the combustion evaporation unit 11 is discharged from the combustion unit 11 a of the combustion evaporation unit 11. Acts as an oxidizing gas required for the combustion reaction.
[0041]
The air tank 31 stores compressed air supplied with air pressurized by a compressor (not shown). The air tank 31 is provided with a pressure sensor 34, and a compressor 32 is provided in order to compensate for the shortage of air in the air tank 31. The pressure sensor 34 is connected to the control unit 6. The controller 6 determines the amount of air in the air tank 31 based on the input signal from the pressure sensor 34, and outputs a drive signal to the compressor 32 when determining that the amount of air is insufficient. It controls so that the amount of compressed air supplied in 31 may become sufficient.
[0042]
Although not shown in FIG. 2, the fuel cell system 30 includes a predetermined secondary battery separately from the fuel cell 40. This secondary battery is used as a power source for driving the above-described compressor 32, various pumps and the like while sufficient supply of electric power from the fuel cell 40 cannot be obtained when the fuel cell system 30 is started.
[0043]
The operation of the fuel cell system 30 at the time of starting the system and the operation when the operation state becomes a steady state are not particularly limited as long as the above-described fuel cell system 30 can be implemented, and are usually processed by a known operation.
[0044]
In the embodiment described above, the reforming reaction that proceeds in the reforming unit 12 of the reformer 1 includes the steam reforming reaction. However, in addition to this, the reforming reaction includes the partial oxidation reforming reaction. Also good. When the steam reforming reaction is performed using the amount of heat generated by the oxidation reforming reaction, the energy efficiency is further improved as compared with the case where the steam reforming reaction is performed while heating with a heater. Further, the reforming unit 12 does not necessarily perform the steam reforming reaction, and the reformed gas may be generated only by the oxidation reforming reaction using a liquid raw fuel such as methanol.
[0045]
In the above-described embodiment, the fuel cell supplied with the fuel gas obtained by reforming the raw fuel by the reformer 1 is a solid polymer fuel cell, but includes different types of fuel cells. A fuel cell system may be used. In particular, when a phosphoric acid fuel cell or a solid oxide fuel cell is used as the fuel cell, the configuration of the fuel cell system of the above-described embodiment can be applied mutatis mutandis.
[0046]
Although the present invention has been specifically described with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. It goes without saying that the present invention can be appropriately modified without departing from the spirit of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram showing an example of a fuel cell system of the present invention.
FIG. 2 is a main block diagram showing an embodiment of a fuel cell system of the present invention.
FIG. 3 is a schematic block diagram showing an example of a conventional fuel cell system that supplies off-gas to a combustion section of a reformer.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a single cell constituting a fuel cell used in an embodiment of the fuel cell system of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20,30 ... Fuel cell system, 1 ... Reformer, 11 ... Combustion evaporation part, 11a ... Combustion part, 11b ... Evaporation part, 12 ... Reformation part, 13 ... CO reduction part, 2 ... Mixing part, 3 ... Pump DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 ... Air filter, 5 ... Exhaust part, 1a, 2a, 3a ... Flow path, 2b, 5b ... Flow control valve, 21 ... Methanol tank, 22 ... Water tank, 31 ... Air tank, 32 ... Compressor, 33 ... Air supply 34, pressure sensor, 40 ... fuel cell, 41 ... electrolyte membrane, 42 ... anode, 43 ... cathode, 44, 45 ... separator, 44P ... fuel gas flow path, 45P ... oxidation gas flow path, 46, 47 ... collection Electric plate, 48 ... single cell

Claims

The vaporization of the raw fuel is provided with at least a combustion evaporation section comprising a combustion section for imparting combustion heat to the raw fuel and an evaporation section for evaporating the raw fuel into vaporized gas by the amount of heat received from the combustion section. A reformer that converts the gas into hydrogen-rich fuel gas;
A fuel cell that generates electricity upon receiving the supply of the fuel gas obtained by the reformer;
A mixing unit that mixes hydrogen off-gas, which is unused in the fuel cell discharged from the fuel cell, with air, and supplies the hydrogen off-gas and a mixed gas composed of the air to the combustion unit;
E Bei a pump for transporting the mixed gas supplied from the mixing unit, and
The mixing unit, the fuel cell system, characterized in that the hydrogen off-gas upstream of the pump is mixed with the air.

2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising an exhaust part for exhausting a part of the hydrogen off gas in a flow path to the mixing part of the hydrogen off gas discharged from the fuel cell.

The reformer further includes a reforming unit and a CO reduction unit, wherein the reforming unit generates a reformed gas by a reforming reaction of the vaporized gas of the raw fuel, and the CO reduction unit converts the reformed gas into the reformed gas. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein a fuel gas is obtained by oxidizing and reducing a predetermined amount of carbon monoxide contained therein.