JP4784047B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、供給された燃料および改質水を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に導出する改質部を備えた燃料電池システムに関し、特に、運転中に被毒されたシフト触媒を再生する機能を有する燃料電池システムに関する。   The present invention provides a fuel cell including a reforming unit that generates reformed gas containing hydrogen by reforming the supplied fuel and reformed water with a reforming catalyst filled therein and leads the reformed gas to the fuel cell. More particularly, the present invention relates to a fuel cell system having a function of regenerating a shift catalyst poisoned during operation.

燃料電池システムとしては、供給された燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して導出する改質部と、該改質部から導出された改質ガス中の一酸化炭素濃度を内部に充填されたシフト触媒によって低減して導出する一酸化炭素シフト反応部とを備えたものが知られている。   The fuel cell system includes a reforming unit that generates and derives a reformed gas containing hydrogen by reforming the supplied fuel with a reforming catalyst filled therein, and the reforming unit derived from the reforming unit. A device having a carbon monoxide shift reaction part that reduces and derives the carbon monoxide concentration in the reformed gas by a shift catalyst filled therein is known.

改質部に供給される燃料としては、天然ガスを主成分とした都市ガス、LPG、ナフサ、灯油などが用いられるが、都市ガスまたはLPGには付臭剤として硫黄化合物が数ppm含まれ、灯油には不純物として硫黄化合物が数十ppm含まれている。燃料電池システムの燃料供給手段には、硫黄化合物によって改質触媒、シフト触媒などの触媒が被毒されるのを防止するため燃料中の硫黄化合物を取り除く脱硫器が設けられている。しかし、脱硫器は完全に硫黄化合物を除去できないので、硫黄化合物が僅かながら触媒に流入し続ける。その結果、徐々に触媒が硫黄化合物によって被毒され、やがて必要な触媒機能を満たさなくなり、改質触媒および改質部を交換する手間が生じていた。また、改質部と同様に、一酸化炭素シフト反応部においてもシフト触媒が硫黄被毒されシフト触媒および一酸化炭素シフト反応部を交換する手間が生じていた。   As the fuel supplied to the reforming section, city gas mainly composed of natural gas, LPG, naphtha, kerosene, etc. are used. City gas or LPG contains several ppm of sulfur compounds as odorants, Kerosene contains several tens of ppm of sulfur compounds as impurities. The fuel supply means of the fuel cell system is provided with a desulfurizer for removing sulfur compounds in the fuel in order to prevent the sulfur compounds from poisoning catalysts such as reforming catalysts and shift catalysts. However, since the desulfurizer cannot completely remove the sulfur compound, the sulfur compound continues to slightly flow into the catalyst. As a result, the catalyst was gradually poisoned by the sulfur compound, eventually failing to satisfy the necessary catalytic function, and labor for replacing the reforming catalyst and the reforming unit was generated. Further, like the reforming unit, the shift catalyst is poisoned with sulfur in the carbon monoxide shift reaction unit, and it takes time to replace the shift catalyst and the carbon monoxide shift reaction unit.

この問題を解決する触媒性能を回復する手段を備えたものとして、特許文献1に記載の燃料改質装置がある。この燃料改質装置においては、特許文献1に示されているように、改質部1に不活性ガスまたは水蒸気ガスを供給する回復用ガス供給部4を具備し、回復用ガス供給部4から改質部1へ不活性ガスまたは水蒸気ガスを供給するとともに、加熱治具2で改質部1を加熱(例えば500〜800℃程度)することで、改質触媒の触媒活性を回復している。   There is a fuel reformer described in Patent Document 1 as a means for recovering the catalyst performance to solve this problem. In this fuel reformer, as disclosed in Patent Document 1, a recovery gas supply unit 4 that supplies an inert gas or water vapor gas to the reforming unit 1 is provided. While supplying an inert gas or water vapor gas to the reforming unit 1 and heating the reforming unit 1 with the heating jig 2 (for example, about 500 to 800 ° C.), the catalytic activity of the reforming catalyst is recovered. .

また、特許文献2に記載の改質触媒装置がある。この改質触媒装置においては、特許文献2の図1に示されているように、燃料と空気とを改質触媒層2に供給するとともに、改質触媒の温度を500℃以上800℃以下の範囲にし、改質触媒の性能を回復させている。燃料および空気は燃料導入手段4および空気導入手段5によってそれぞれ改質触媒層2に供給されている。   Further, there is a reforming catalyst device described in Patent Document 2. In this reforming catalyst device, as shown in FIG. 1 of Patent Document 2, fuel and air are supplied to the reforming catalyst layer 2 and the temperature of the reforming catalyst is 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. The performance of the reforming catalyst is restored. Fuel and air are supplied to the reforming catalyst layer 2 by the fuel introduction means 4 and the air introduction means 5, respectively.

さらに、特許文献3に記載の改質触媒の生成方法がある。特許文献3には、燃料、空気、蒸気の供給比を調整したり、触媒温度を上昇させたりして触媒を再生する方法が記載されている。   Furthermore, there is a method for producing a reforming catalyst described in Patent Document 3. Patent Document 3 describes a method of regenerating a catalyst by adjusting a supply ratio of fuel, air, and steam, or increasing a catalyst temperature.

また、特許文献4に記載の変成触媒体劣化判定装置、及び水素生成装置がある。この装置においては、LPGを改質する改質器のシフト部(触媒としてCu−Zn触媒、Fe−Cr触媒、貴金属系の触媒などがある。)の温度を、触媒劣化時に上昇させている。すなわち、触媒の温度を制御することによって触媒上での反応性を向上させている。この温度制御は、冷却ファンおよび電気ヒータによって行われている。
特開2000−351606号公報(第3,4頁、第1図) 特開2002−282710号公報(第3,4頁、第1図) 特表2003−503186号公報(第4−10頁、第1,2図) 特開2003−217636号公報(第5−12頁、第1−13図)
Further, there is a shift catalyst body deterioration determination device and a hydrogen generation device described in Patent Document 4. In this apparatus, the temperature of the shift portion of the reformer for reforming LPG (there are Cu—Zn catalyst, Fe—Cr catalyst, noble metal catalyst, etc. as the catalyst) is raised during catalyst deterioration. That is, the reactivity on the catalyst is improved by controlling the temperature of the catalyst. This temperature control is performed by a cooling fan and an electric heater.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-351606 (pages 3, 4 and 1) JP 2002-282710 A (pages 3, 4 and 1) Japanese translation of PCT publication No. 2003-503186 (page 4-10, FIGS. 1 and 2) JP 2003-217636 A (page 5-12, FIG. 1-13)

上述した特許文献1に記載の燃料改質装置においては、回復用ガス供給部4を設けているため、装置が複雑化・高コスト化するという問題があった。また、特許文献2に記載の改質触媒装置においては、改質触媒が何によって劣化しているかが不明である。また、改質触媒に空気を吹き込むと、ヒートスポットが発生しかえって触媒が劣化するおそれがあった。さらに、空気導入手段5を設けているため、装置が複雑化・高コスト化するという問題があった。また、特許文献3においては、硫黄被毒された触媒を解決する方法について十分に開示されていない。また、特許文献4に記載の装置においては、触媒の温度を所定の温度範囲に制御しているが、その制御性が悪いという問題があり、また、特許文献4においては、硫黄被毒された触媒を解決する方法について記載はされていない。   In the fuel reforming apparatus described in Patent Document 1 described above, since the recovery gas supply unit 4 is provided, there is a problem that the apparatus becomes complicated and expensive. Further, in the reforming catalyst device described in Patent Document 2, it is unclear what causes the reforming catalyst to deteriorate. Further, when air is blown into the reforming catalyst, a heat spot is generated and the catalyst may be deteriorated. Further, since the air introduction means 5 is provided, there is a problem that the apparatus becomes complicated and expensive. Moreover, in patent document 3, it is not fully disclosed about the method of solving the catalyst poisoned with sulfur. Moreover, in the apparatus described in Patent Document 4, the temperature of the catalyst is controlled within a predetermined temperature range, but there is a problem that the controllability is poor, and in Patent Document 4, sulfur poisoning has occurred. There is no description of how to solve the catalyst.

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、簡単な構成かつ制御性よく硫黄被毒されたシフト触媒を再生することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of regenerating a sulfur-poisoned shift catalyst with a simple configuration and good controllability.

上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、供給された燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して導出する改質部と、この改質部から導出された改質ガス中の一酸化炭素濃度を内部に充填されたシフト触媒によって低減して導出する一酸化炭素シフト反応部とを備えた燃料電池システムにおいて、一酸化炭素シフト反応部に設けられて改質ガスとの間で熱交換する熱交換手段をさらに備え、硫黄被毒されたシフト触媒を改質部内に生成される改質ガスを用いて再生するため、熱交換手段によってシフト触媒の温度を触媒再生温度に調整することで、硫黄被毒されたシフト触媒を、同シフト触媒と硫黄の化合物から硫黄を除去できる触媒再生温度まで少なくとも昇温することである。
In order to solve the above problems, the structural feature of the invention according to claim 1 is that a reformed gas containing hydrogen is generated by reforming the supplied fuel with a reforming catalyst filled therein. A fuel cell comprising a reforming section for deriving and a carbon monoxide shift reaction section for deriving by reducing the carbon monoxide concentration in the reformed gas derived from the reforming section with a shift catalyst filled therein The system further includes a heat exchange means provided in the carbon monoxide shift reaction section for exchanging heat with the reformed gas, and using the reformed gas generated in the reforming section with a sulfur-poisoned shift catalyst. Therefore, by adjusting the temperature of the shift catalyst to the catalyst regeneration temperature by heat exchange means, the sulfur-poisoned shift catalyst is at least raised to the catalyst regeneration temperature at which sulfur can be removed from the shift catalyst and sulfur compounds. Warm It is.

また、請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、触媒再生温度は、通常運転温度よりも高い温度であることである。   Further, the structural feature of the invention according to claim 2 is that, in claim 1, the catalyst regeneration temperature is higher than the normal operation temperature.

また、請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項1または請求項2において、熱交換手段は、一酸化炭素シフト反応部から導出される改質ガスおよび酸化剤ガスを導入して内蔵の燃焼触媒によって燃焼する燃焼器からその燃焼ガスが供給され、その燃焼ガスと改質ガスとの間で熱交換させるものであることである。
Further, the structural feature of the invention according to claim 3 is that in claim 1 or claim 2 , the heat exchange means introduces a reformed gas and an oxidant gas derived from the carbon monoxide shift reaction section. The combustion gas is supplied from a combustor combusted by a built-in combustion catalyst, and heat is exchanged between the combustion gas and the reformed gas.

また、請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項3において、酸化剤ガスの投入量を調整することにより、シフト触媒を触媒再生温度まで昇温することである。
The structural feature of the invention according to claim 4 is that in claim 3 , the shift catalyst is heated to the catalyst regeneration temperature by adjusting the amount of the oxidant gas input.

また、請求項5に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項3の何れか一項において、改質水を改質部に供給する改質水供給手段をさらに備え、この改質水供給手段は、シフト触媒を再生する際に通常運転中の供給量より多い量の改質水を供給することにより、シフト触媒を触媒再生温度まで昇温することである。
A structural feature of the invention according to claim 5 is that in any one of claims 1 to 3 , further comprising reforming water supply means for supplying reforming water to the reforming section. The quality water supply means is to raise the temperature of the shift catalyst to the catalyst regeneration temperature by supplying a larger amount of reforming water than the supply amount during normal operation when the shift catalyst is regenerated.

上記のように構成した請求項1に係る発明においては、燃料電池システムの起動時に、硫黄被毒されたシフト触媒を改質部内に生成される改質ガスを用いて再生するため、硫黄被毒されたシフト触媒を、同シフト触媒と硫黄の化合物から硫黄を除去できる触媒再生温度まで少なくとも昇温する。これにより、反応平衡を利用して発熱反応であるシフト触媒の被毒の逆向きの化学反応を促進させることにより、シフト触媒に化合した物質または吸着された物質を触媒から容易に離脱させる(除去する)ことができる。したがって、別の装置を設けることなくシフト触媒を再生することにより装置の複雑化・高コスト化を抑制することができる。
さらに、一酸化炭素シフト反応部に設けられて改質ガスとの間で熱交換する熱交換手段をさらに備え、この熱交換手段によってシフト触媒の温度を触媒再生温度に調整することにより、通常運転時には高温である改質ガスをシフト反応温度まで低下させる熱交換手段を使用して触媒再生することにより、ファンや電気ヒータを作動させる電気エネルギーを使用しなくて済むので、燃料電池システム全体としてエネルギー効率よく触媒再生することができる。
In the invention according to claim 1 configured as described above, when the fuel cell system is started, the sulfur-poisoned shift catalyst is regenerated using the reformed gas generated in the reforming section. The shift catalyst thus heated is at least heated to a catalyst regeneration temperature at which sulfur can be removed from the shift catalyst and sulfur compounds. As a result, the chemical reaction opposite to the poisoning of the shift catalyst, which is an exothermic reaction, is promoted by utilizing the reaction equilibrium, so that the substance combined with the adsorbed catalyst or the adsorbed substance can be easily separated (removed) from the catalyst. can do. Therefore, by regenerating the shift catalyst without providing another device, the complexity and cost of the device can be suppressed.
Furthermore, a heat exchanging means provided in the carbon monoxide shift reaction section for exchanging heat with the reformed gas is further provided. By adjusting the temperature of the shift catalyst to the catalyst regeneration temperature by the heat exchanging means, the normal operation is performed. Sometimes, by regenerating the catalyst using heat exchange means that lowers the reformed gas at a high temperature to the shift reaction temperature, it is not necessary to use electric energy to operate the fan and the electric heater. The catalyst can be efficiently regenerated.

上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1の燃料電池システムにおいて、触媒再生温度は、通常運転温度よりも高い温度であるので、確実に触媒を再生することができる。   In the invention according to claim 2 configured as described above, in the fuel cell system according to claim 1, since the catalyst regeneration temperature is higher than the normal operation temperature, the catalyst can be reliably regenerated.

上記のように構成した請求項3に係る発明においては、請求項1または請求項2の燃料電池システムにおいて、熱交換手段は、一酸化炭素シフト反応部から導出される改質ガスおよび酸化剤ガスを導入して内蔵の燃焼触媒によって燃焼する燃焼器からその燃焼ガスが供給され、その燃焼ガスと改質ガスとの間で熱交換させるものであるので、起動時に燃料電池に供給できない改質ガスを使用してまだ低温である改質ガスを昇温しシフト触媒を昇温する。したがって、簡単な構成にてより燃料電池システムに投入されるエネルギーを効率よく使用して触媒を再生することができる。
In the invention according to Claim 3 configured as described above, in the fuel cell system according to Claim 1 or Claim 2 , the heat exchange means includes a reformed gas and an oxidant gas derived from the carbon monoxide shift reaction section. Because the combustion gas is supplied from the combustor that burns with the built-in combustion catalyst and heat is exchanged between the combustion gas and the reformed gas, the reformed gas that cannot be supplied to the fuel cell at startup Is used to raise the temperature of the reformed gas which is still low and raise the temperature of the shift catalyst. Therefore, the catalyst can be regenerated by efficiently using the energy input to the fuel cell system with a simple configuration.

上記のように構成した請求項4に係る発明においては、請求項3の燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスの投入量を調整して燃焼ガスの熱量を調整することにより、シフト触媒の温度を触媒再生温度に調整する。したがって、制御性よく触媒温度を調整することができる。
In the invention according to claim 4 configured as described above, in the fuel cell system according to claim 3 , the temperature of the shift catalyst is controlled by adjusting the amount of combustion gas heat by adjusting the input amount of the oxidant gas. Adjust to regeneration temperature. Therefore, the catalyst temperature can be adjusted with good controllability.

上記のように構成した請求項5に係る発明においては、請求項1乃至請求項3の何れか一項の燃料電池システムにおいて、改質水を改質部に供給する改質水供給手段をさらに備え、この改質水供給手段は、シフト触媒を再生する際に通常運転中の供給量より多い量の改質水を供給することにより、シフト触媒を触媒再生温度まで昇温するので、シフト触媒をより早く触媒再生温度まで昇温させることができる。


In the invention according to Claim 5 configured as described above, in the fuel cell system according to any one of Claims 1 to 3 , the reforming water supply means for supplying the reforming water to the reforming unit is further provided. This reforming water supply means raises the shift catalyst to the catalyst regeneration temperature by supplying a larger amount of reforming water than the amount supplied during normal operation when regenerating the shift catalyst. Can be raised to the catalyst regeneration temperature more quickly.


1)第1の実施の形態
以下、本発明による燃料電池システムの第1の実施の形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図1に示すように、燃料電池10と燃料電池10に必要な水素ガスを生成する水蒸気改質方式の改質装置20を備えている。燃料電池10は、燃料極11と空気極12を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された空気(カソードエア)を用いて発電するものである。
1) First Embodiment Hereinafter, a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. As shown in FIG. 1, this fuel cell system includes a fuel cell 10 and a steam reforming reformer 20 that generates hydrogen gas necessary for the fuel cell 10. The fuel cell 10 includes a fuel electrode 11 and an air electrode 12, and generates power using the reformed gas supplied to the fuel electrode 11 and the air (cathode air) supplied to the air electrode 12.

改質装置20は、燃料を改質する改質部21と、改質部21から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23と、COシフト部23から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去する一酸化炭素選択酸化部(以下、CO選択酸化部という)24から構成されている。燃料としては天然ガス、LPG、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。   The reformer 20 includes a reforming unit 21 that reforms fuel and a carbon monoxide shift reaction unit (hereinafter referred to as a CO shift unit) that removes carbon monoxide contained in the reformed gas derived from the reforming unit 21. ) 23 and a carbon monoxide selective oxidation unit (hereinafter referred to as a CO selective oxidation unit) 24 that further removes carbon monoxide contained in the reformed gas derived from the CO shift unit 23. Examples of the fuel include natural gas, LPG, kerosene, gasoline, methanol, and the like. In the present embodiment, description will be made on natural gas.

改質部21は、有底筒状に形成されて下方に開放するように配置され、かつ内部に触媒(改質触媒)21aが充填された反応室21bを備えている。改質部21には燃焼部22が設けられている。燃焼部22は、反応室21bに密接して設けられて反応室21bを加熱する加熱室22aと、加熱室22aに高温の燃焼ガスを供給するバーナ22bとから構成されている。   The reforming unit 21 includes a reaction chamber 21b that is formed in a bottomed cylindrical shape and is disposed so as to open downward, and is filled with a catalyst (reforming catalyst) 21a. The reforming unit 21 is provided with a combustion unit 22. The combustion unit 22 includes a heating chamber 22a that is provided in close contact with the reaction chamber 21b and heats the reaction chamber 21b, and a burner 22b that supplies high-temperature combustion gas to the heating chamber 22a.

反応室21bには燃料供給源Sf(例えば都市ガス管)に接続された燃料供給管41が接続されており、燃料供給源Sfから燃料が供給されている。燃料供給管41には、上流から順番に第1燃料バルブ42、燃料ポンプ43、脱硫器44、第2燃料バルブ45および熱交換部46が設けられている。第1および第2燃料バルブ42,45は制御装置30の指令によって燃料供給管41を開閉するものである。燃料ポンプ43は燃料供給源Sfから供給される燃料を吸い込み改質部21の反応室21bに吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃料供給量を調整するものである。脱硫器44は燃料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を除去するものである。熱交換部46は改質部21からCOシフト部23へ供給される高温の改質ガスとの間で熱交換が行われて予熱された燃料を改質部21の反応室21bに供給するものである。これにより、燃料は硫黄分が除去され予熱されて反応室21bに供給される。   A fuel supply pipe 41 connected to a fuel supply source Sf (for example, a city gas pipe) is connected to the reaction chamber 21b, and fuel is supplied from the fuel supply source Sf. The fuel supply pipe 41 is provided with a first fuel valve 42, a fuel pump 43, a desulfurizer 44, a second fuel valve 45, and a heat exchange unit 46 in order from the upstream. The first and second fuel valves 42 and 45 open and close the fuel supply pipe 41 according to commands from the control device 30. The fuel pump 43 sucks the fuel supplied from the fuel supply source Sf and discharges it to the reaction chamber 21 b of the reforming unit 21, and adjusts the fuel supply amount according to a command from the control device 30. The desulfurizer 44 removes a sulfur content (for example, a sulfur compound) in the fuel. The heat exchange unit 46 supplies the preheated fuel to the reaction chamber 21b of the reforming unit 21 by exchanging heat with the high temperature reformed gas supplied from the reforming unit 21 to the CO shift unit 23. It is. Thereby, the sulfur content is removed from the fuel, and the fuel is preheated and supplied to the reaction chamber 21b.

また、燃料供給管41の第2燃料バルブ45と熱交換部46との間には蒸発器55に接続された水蒸気供給管52が接続され、蒸発器55から供給された水蒸気が燃料に混合されて改質部21の反応室21bに供給されている。蒸発器55には改質水供給源である水タンクSwに接続された給水管51が接続されている。給水管51には、上流から順番に水ポンプ53および水バルブ54が設けられている。水ポンプ53は水タンクSwから供給される改質水を吸い込み蒸発器55に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。水バルブ54は制御装置30の指令によって給水管51を開閉するものである。給水管51は加熱室22aの外周に巻きつけられており、給水管51内の流水が加熱室22aの高熱によって予熱される。蒸発器55には一端が加熱室22aに接続され他端が外部に開放されている排気管81が貫設されており、蒸発器55は供給される予熱された改質水を排気管81を流れる加熱室22aから外部へ排出される燃焼ガス(排気ガス)によって加熱して水蒸気にし、反応室21bに供給するものである。これにより、改質水は予熱されて蒸発器55に供給され、水蒸気となって反応室21bに供給される。なお、本第1の実施の形態においては、給水管51であって加熱室22aに巻きつけられた部分と蒸発器55とから蒸発部56が構成されている。また、蒸発器55には内部温度を検出する温度センサ55aが設けられている。   Further, a steam supply pipe 52 connected to the evaporator 55 is connected between the second fuel valve 45 of the fuel supply pipe 41 and the heat exchanging section 46, and the steam supplied from the evaporator 55 is mixed with the fuel. To the reaction chamber 21b of the reforming section 21. A water supply pipe 51 connected to a water tank Sw that is a reforming water supply source is connected to the evaporator 55. The water supply pipe 51 is provided with a water pump 53 and a water valve 54 in order from the upstream. The water pump 53 sucks the reformed water supplied from the water tank Sw and discharges it to the evaporator 55, and adjusts the reformed water supply amount according to a command from the control device 30. The water valve 54 opens and closes the water supply pipe 51 according to a command from the control device 30. The water supply pipe 51 is wound around the outer periphery of the heating chamber 22a, and the running water in the water supply pipe 51 is preheated by the high heat of the heating chamber 22a. The evaporator 55 is provided with an exhaust pipe 81 having one end connected to the heating chamber 22a and the other end opened to the outside. The evaporator 55 passes the preheated reformed water supplied to the exhaust pipe 81 through the exhaust pipe 81. Heating is performed by combustion gas (exhaust gas) discharged from the flowing heating chamber 22a to the outside and supplied to the reaction chamber 21b. As a result, the reformed water is preheated and supplied to the evaporator 55, and is supplied to the reaction chamber 21b as water vapor. Note that, in the first embodiment, the evaporation section 56 is constituted by the water supply pipe 51 and the portion wound around the heating chamber 22 a and the evaporator 55. The evaporator 55 is provided with a temperature sensor 55a for detecting the internal temperature.

反応室21bは、後述するようにバーナ22bの燃焼ガスによって加熱されており、反応室21b内に供給された燃料と水蒸気は、下記化1に示すように、改質触媒21a(例えば、Ru、Ni系の触媒)により反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に反応室21b内では、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素が、下記化2に示すように、水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は熱交換部46を通って降温されてCOシフト部23に導出される。なお、反応室21b内には改質触媒21aの温度を検出する温度センサ21a1が設けられている。   The reaction chamber 21b is heated by the combustion gas of the burner 22b as will be described later, and the fuel and water vapor supplied into the reaction chamber 21b are converted into a reforming catalyst 21a (for example, Ru, The hydrogen gas and the carbon monoxide gas are generated by reaction and reforming by a Ni-based catalyst (so-called steam reforming reaction). At the same time, in the reaction chamber 21b, the so-called carbon monoxide shift in which carbon monoxide generated by the steam reforming reaction is converted into hydrogen gas and carbon dioxide by reacting with steam as shown in the following chemical formula 2. A reaction is occurring. The generated gas (so-called reformed gas) is cooled through the heat exchange unit 46 and led to the CO shift unit 23. A temperature sensor 21a1 for detecting the temperature of the reforming catalyst 21a is provided in the reaction chamber 21b.

(化1)
CH+HO→3H+CO−Q1
(化2)
CO+HO→H+CO+Q2
(Chemical formula 1)
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO-Q1
(Chemical formula 2)
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 + Q2

水蒸気改質反応は吸熱反応であり、上記化1から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Q1が吸熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Q1が発熱される。また、一酸化炭素シフト反応は発熱反応であり、上記化2から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Q2が発熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Q2が吸熱される。   The steam reforming reaction is an endothermic reaction, and as is clear from the above chemical formula 1, when the reaction proceeds to the right side, the amount of heat Q1 is absorbed, and conversely, when the reaction proceeds to the left side, the amount of heat Q1 is generated. Further, the carbon monoxide shift reaction is an exothermic reaction, and as is clear from the chemical formula 2, when the reaction proceeds to the right side, the amount of heat Q2 is generated, and conversely, when the reaction proceeds to the left side, the amount of heat Q2 is absorbed.

COシフト部23においては、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素が、上記化2に示すように、COシフト部23内に充填されたシフト触媒23a(例えば、Pt系の触媒)により水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、改質ガスは前述した一酸化炭素シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減されて導出される。また、COシフト部23内にはシフト触媒23aの温度を検出する温度センサ23a1が設けられている。また、COシフト部23は折り返し構造のものであり、下部中央から改質ガスを導入し、上部にて折り返し下部側面から導出するようになっている。   In the CO shift unit 23, the carbon monoxide contained in the supplied reformed gas is caused by the shift catalyst 23a (for example, Pt-based catalyst) filled in the CO shift unit 23, as shown in Chemical Formula 2 above. A so-called carbon monoxide shift reaction that reacts with water vapor and transforms into hydrogen gas and carbon dioxide gas occurs. As a result, the reformed gas is derived with the carbon monoxide concentration reduced by the carbon monoxide shift reaction described above. A temperature sensor 23a1 for detecting the temperature of the shift catalyst 23a is provided in the CO shift unit 23. The CO shift unit 23 has a folded structure, and the reformed gas is introduced from the center of the lower part and led out from the side surface of the folded lower part at the upper part.

COシフト部23から導出された一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、CO選択酸化部24に供給される。一方、CO選択酸化部24には、空気供給源Saに接続された酸化用空気供給管61が接続されており、空気供給源Sa(例えば大気)から酸化剤ガスである空気が供給されている。酸化用空気供給管61には、上流から順番にフィルタ62、空気ポンプ63および第1空気バルブ64が設けられている。フィルタ62は空気を濾過するものである。空気ポンプ63は空気供給源Saから供給される空気を吸い込みCO選択酸化部24に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて空気供給量を調整するものである。第1空気バルブ64は制御装置30の指令によって酸化用空気供給管61を開閉するものであり、また開状態のとき流量を調整するものである。これにより、所定量の空気がCO選択酸化部24に供給される。   The reformed gas having a reduced carbon monoxide concentration derived from the CO shift unit 23 is supplied to the CO selective oxidation unit 24. On the other hand, the CO selective oxidation unit 24 is connected to an oxidation air supply pipe 61 connected to an air supply source Sa, and air, which is an oxidant gas, is supplied from the air supply source Sa (for example, the atmosphere). . The oxidation air supply pipe 61 is provided with a filter 62, an air pump 63, and a first air valve 64 in order from the upstream. The filter 62 filters air. The air pump 63 sucks in air supplied from the air supply source Sa and discharges it to the CO selective oxidation unit 24, and adjusts the air supply amount in accordance with a command from the control device 30. The first air valve 64 opens and closes the oxidizing air supply pipe 61 according to a command from the control device 30, and adjusts the flow rate when it is open. As a result, a predetermined amount of air is supplied to the CO selective oxidation unit 24.

CO選択酸化部24に供給された改質ガスに残留している一酸化炭素は、下記化3に示すように、CO選択酸化部24に充填された触媒24a(例えば、Ru系またはPt系の触媒)により上述のように供給された空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出されて、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。なお、改質ガス中の水素も酸化されて水となる。   The carbon monoxide remaining in the reformed gas supplied to the CO selective oxidation unit 24 is converted into the catalyst 24a (for example, Ru-based or Pt-based) filled in the CO selective oxidation unit 24 as shown in the following chemical formula 3. The catalyst) reacts with the oxygen in the air supplied as described above to become carbon dioxide. As a result, the reformed gas is derived by further reducing the carbon monoxide concentration by oxidation reaction (10 ppm or less), and is supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. Note that hydrogen in the reformed gas is also oxidized into water.

(化3)
CO+1/2O→CO+Q3
この反応は発熱反応であり、上記化3から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Q3が発熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Q3が吸熱される。
(Chemical formula 3)
CO + 1 / 2O 2 → CO 2 + Q3
This reaction is an exothermic reaction, and as is clear from the chemical formula 3 above, the amount of heat Q3 is generated when the reaction proceeds to the right side, and conversely, the amount of heat Q3 is absorbed when the reaction proceeds to the left side.

燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO選択酸化部24が接続されており、燃料極11に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介してバーナ22bが接続されており、燃料電池10から排出されるアノードオフガス(燃料極11にて未使用な水素を含んだ改質ガス)をバーナ22bに供給するようになっている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間に第1オフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73には第2改質ガスバルブ76が設けられている。第1および第2改質ガスバルブ74,76および第1オフガスバルブ75はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置30により制御されている。   A CO selective oxidation unit 24 is connected to the inlet of the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 via a reformed gas supply pipe 71 so that the reformed gas is supplied to the fuel electrode 11. A burner 22b is connected to the outlet of the fuel electrode 11 through an off-gas supply pipe 72, and anode off-gas discharged from the fuel cell 10 (reformed gas containing hydrogen that has not been used in the fuel electrode 11). The burner 22b is supplied. The bypass pipe 73 bypasses the fuel cell 10 and directly connects the reformed gas supply pipe 71 and the offgas supply pipe 72. The reformed gas supply pipe 71 is provided with a first reformed gas valve 74 between the branch point of the bypass pipe 73 and the fuel cell 10. The off gas supply pipe 72 is provided with a first off gas valve 75 between the junction with the bypass pipe 73 and the fuel cell 10. A second reformed gas valve 76 is provided in the bypass pipe 73. The first and second reformed gas valves 74 and 76 and the first off gas valve 75 open and close the respective pipes and are controlled by the control device 30.

また、燃料電池10の空気極12の導入口には、空気ポンプ63の上流にて酸化用空気供給管61から分岐したカソード用空気供給管67の先端が接続されており、空気極12内に酸化剤ガスである空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ポンプ68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。カソード用空気ポンプ68は空気供給源Saから供給される空気を吸い込み燃料電池の空気極12に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69は制御装置30の指令によってカソード用空気供給管67を開閉するものである。さらに、燃料電池10の空気極12の導出口には、他端が外部に開放されている排気管82の一端が接続されている。   The leading end of a cathode air supply pipe 67 branched from the oxidizing air supply pipe 61 is connected to the inlet of the air electrode 12 of the fuel cell 10 upstream of the air pump 63. Air, which is an oxidant gas, is supplied. The cathode air supply pipe 67 is provided with a cathode air pump 68 and a cathode air valve 69 in order from the upstream. The cathode air pump 68 sucks air supplied from the air supply source Sa and discharges it to the air electrode 12 of the fuel cell, and adjusts the cathode air supply amount in accordance with a command from the control device 30. The cathode air valve 69 opens and closes the cathode air supply pipe 67 according to a command from the control device 30. Further, one end of an exhaust pipe 82 whose other end is opened to the outside is connected to the outlet of the air electrode 12 of the fuel cell 10.

また、バーナ22bには、燃料ポンプ43の上流にて燃料供給管41から分岐した燃焼用燃料供給管47が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管47には燃焼用燃料ポンプ48が設けられており、燃焼用燃料ポンプ48は燃料供給源Sfから供給される燃料を吸い込みバーナ22bに吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。さらにバーナ22bには空気ポンプ63の上流にて酸化用空気供給管61から分岐した燃焼用空気供給管65が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはオフガスを燃焼させるための燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管65には燃焼用空気ポンプ66が設けられており、燃焼用空気ポンプ66は空気供給源Saから供給される空気を吸い込みバーナ22bに吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼用空気供給量を調整するものである。バーナ22bが制御装置30の指令によって着火されると、バーナ22bに供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが加熱室22aに供給されて反応室21bが加熱されることにより改質触媒21aが加熱される。加熱室22aを通過した燃焼ガスは排気管81および蒸発器55を通って排気ガスとして外部に排気される。   Further, a combustion fuel supply pipe 47 branched from the fuel supply pipe 41 is connected to the burner 22b upstream of the fuel pump 43 so that combustion fuel is supplied. The combustion fuel supply pipe 47 is provided with a combustion fuel pump 48. The combustion fuel pump 48 sucks the fuel supplied from the fuel supply source Sf and discharges it to the burner 22b. The fuel supply amount for combustion is adjusted according to the above. Further, a combustion air supply pipe 65 branched from the oxidizing air supply pipe 61 is connected to the burner 22b upstream of the air pump 63, and combustion air for burning combustion fuel, reformed gas or off-gas. Is to be supplied. The combustion air supply pipe 65 is provided with a combustion air pump 66. The combustion air pump 66 sucks air supplied from the air supply source Sa and discharges it to the burner 22b. The combustion air supply amount is adjusted according to the above. When the burner 22b is ignited by a command from the control device 30, the combustion fuel, reformed gas or anode off-gas supplied to the burner 22b is combusted to generate a high-temperature combustion gas, and this combustion gas enters the heating chamber 22a. The reforming catalyst 21a is heated by heating the reaction chamber 21b. The combustion gas that has passed through the heating chamber 22a is exhausted to the outside through the exhaust pipe 81 and the evaporator 55 as exhaust gas.

また、改質ガス供給管71、オフガス供給管72および排気管82の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器77、アノードオフガス用凝縮器78およびカソードオフガス用凝縮器79が設けられている。改質ガス用凝縮器77は改質ガス供給管71中を流れる燃料電池10の燃料極11に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器78はオフガス供給管72中を流れる燃料電池10の燃料極11から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器79は排出管82中を流れる燃料電池10の空気極12から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、各凝縮器77〜79には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給される冷媒管が貫設されており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。   A reformed gas condenser 77, an anode offgas condenser 78, and a cathode offgas condenser 79 are provided in the middle of the reformed gas supply pipe 71, offgas supply pipe 72, and exhaust pipe 82, respectively. The reformed gas condenser 77 condenses water vapor in the reformed gas supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 flowing in the reformed gas supply pipe 71. The anode offgas condenser 78 condenses water vapor in the anode offgas discharged from the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 flowing in the offgas supply pipe 72. The cathode offgas condenser 79 condenses the water vapor in the cathode offgas discharged from the air electrode 12 of the fuel cell 10 flowing in the discharge pipe 82. Each of the condensers 77 to 79 is provided with a refrigerant pipe through which a low-temperature liquid in a hot water tank (not shown) or a liquid cooled by a radiator and a cooling fan is supplied, and each gas is exchanged by heat exchange with the liquid. The water vapor inside is condensed.

これら凝縮器77,78,79は配管84を介して純水器85に連通しており、各凝縮器77,78,79にて凝縮された凝縮水は、純水器85に導出され回収されるようになっている。純水器85は、各凝縮器77,78,79から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンクSwに導出するものである。なお、純水器85には水道水供給源(例えば水道管)から供給される補給水(水道水)を導入する配管が接続されており、純水器85内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。   These condensers 77, 78, and 79 communicate with a pure water device 85 through a pipe 84, and condensed water condensed in each condenser 77, 78, and 79 is led out to the pure water device 85 and collected. It has become so. The deionizer 85 converts the condensed water supplied from each of the condensers 77, 78, 79, that is, recovered water into pure water by using a built-in ion exchange resin, and the purified water is led to the water tank Sw. To do. Note that a pipe for introducing makeup water (tap water) supplied from a tap water supply source (for example, a water pipe) is connected to the water purifier 85, and the amount of water stored in the water purifier 85 is below the lower limit water level. And tap water is supplied.

また、燃料電池システムは燃焼器86を備えている。燃焼器86は、COシフト部23から導出される改質ガス(より具体的にはCO選択酸化部24から導出され燃料電池10を通らないで供給される改質オフガス)および酸化剤ガスである空気を導入して内蔵の燃焼触媒(例えば、パラジウム系の触媒、白金系の触媒、白金−パラジウム系の触媒)によって燃焼させその燃焼ガスを熱交換器87(熱交換手段である)に供給している。熱交換器87はCOシフト部23の下部および上部にそれぞれ設けられた第1および第2熱交換器87a,87bとから構成されている。第1熱交換器87aは、COシフト部23に導入される改質ガスを燃焼ガスとの間で熱交換するものであり、第2熱交換器87bは、COシフト部23の折り返し部を通過している改質ガスを燃焼ガスとの間で熱交換するものである。また、第1および第2熱交換器87a,87bは、通常運転時には高温である改質ガスをシフト反応温度まで降温させることも可能である。   The fuel cell system includes a combustor 86. The combustor 86 is a reformed gas derived from the CO shift unit 23 (more specifically, a reformed off-gas derived from the CO selective oxidation unit 24 and supplied without passing through the fuel cell 10) and an oxidant gas. Air is introduced and burned by a built-in combustion catalyst (for example, palladium-based catalyst, platinum-based catalyst, platinum-palladium-based catalyst), and the combustion gas is supplied to the heat exchanger 87 (which is a heat exchange means). ing. The heat exchanger 87 includes first and second heat exchangers 87a and 87b provided at the lower part and the upper part of the CO shift unit 23, respectively. The first heat exchanger 87a exchanges heat between the reformed gas introduced into the CO shift unit 23 and the combustion gas, and the second heat exchanger 87b passes through the folded portion of the CO shift unit 23. Heat is exchanged between the reformed gas and the combustion gas. The first and second heat exchangers 87a and 87b can also lower the temperature of the reformed gas, which is high during normal operation, to the shift reaction temperature.

この燃焼器86の導入口には、凝縮器78の下流にてオフガス供給管72から分岐した燃焼用オフガス供給管88が接続されており、CO選択酸化部24からの改質オフガスまたは燃料電池10からのアノードオフガスが供給されるようになっている。空気ポンプ63と第1空気バルブ64の間にて酸化用空気供給管61から分岐した燃焼器用空気供給管89が燃焼用オフガス供給管88に合流されており、空気供給源Saからの酸化剤ガスである空気が改質オフガスまたはアノードオフガスに混合されて燃焼器86に供給されるようになっている。さらに、燃焼器86の導出口には第1および第2熱交換器87a,87bを経由してバーナ22bの上流にてオフガス供給管72に合流する燃焼ガス供給管90が接続されており、燃焼ガスが第1および第2熱交換器87a,87bを通ってバーナ22bに供給されるようになっている。燃焼ガスバイパス管91は、第1および第2熱交換器87a,87bをバイパスして燃焼ガス供給管90およびオフガス供給管72を直結するものである。   A combustion off-gas supply pipe 88 branched from the off-gas supply pipe 72 downstream of the condenser 78 is connected to the introduction port of the combustor 86, and the reformed off-gas from the CO selective oxidation unit 24 or the fuel cell 10. The anode off gas from is supplied. A combustor air supply pipe 89 branched from the oxidizing air supply pipe 61 between the air pump 63 and the first air valve 64 is joined to the combustion offgas supply pipe 88, and an oxidant gas from the air supply source Sa. Is mixed with the reformed off gas or anode off gas and supplied to the combustor 86. Further, a combustion gas supply pipe 90 that joins the off-gas supply pipe 72 upstream of the burner 22b via the first and second heat exchangers 87a and 87b is connected to the outlet of the combustor 86, and combustion is performed. Gas is supplied to the burner 22b through the first and second heat exchangers 87a and 87b. The combustion gas bypass pipe 91 bypasses the first and second heat exchangers 87a and 87b and directly connects the combustion gas supply pipe 90 and the off gas supply pipe 72.

オフガス供給管72には、燃焼用オフガス供給管88との分岐点と、燃焼ガス供給管90および燃焼ガスバイパス管91との合流点との間に第2オフガスバルブ92が設けられている。燃焼用オフガス供給管88には、オフガス供給管72との分岐点と燃焼器86との間に第3オフガスバルブ93が設けられている。燃焼ガス供給管90には、燃焼器86と第1熱交換器87aとの間に第1燃焼ガスバルブ94が設けられ、第2熱交換器87bとオフガス供給管72との合流点との間に第2燃焼ガスバルブ95が設けられている。燃焼ガスバイパス管91には第3燃焼ガスバルブ96が設けられている。燃焼器用空気供給管89には第2空気バルブ97が設けられている。これら各バルブ92〜96はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置30により制御されている。第2空気バルブ97は、第1空気バルブ64と同様に、制御装置30の指令によって燃焼器用空気供給管89を開閉するものであり、また開状態のとき流量を調整するものである。これにより、所定量の空気(酸化剤ガスである)が燃焼器86に供給される。   The off gas supply pipe 72 is provided with a second off gas valve 92 between a branch point with the combustion off gas supply pipe 88 and a junction with the combustion gas supply pipe 90 and the combustion gas bypass pipe 91. The combustion off gas supply pipe 88 is provided with a third off gas valve 93 between the branch point of the off gas supply pipe 72 and the combustor 86. The combustion gas supply pipe 90 is provided with a first combustion gas valve 94 between the combustor 86 and the first heat exchanger 87a, and between the second heat exchanger 87b and the off-gas supply pipe 72. A second combustion gas valve 95 is provided. The combustion gas bypass pipe 91 is provided with a third combustion gas valve 96. The combustor air supply pipe 89 is provided with a second air valve 97. These valves 92 to 96 open and close the respective pipes and are controlled by the control device 30. Similar to the first air valve 64, the second air valve 97 opens and closes the combustor air supply pipe 89 according to a command from the control device 30, and adjusts the flow rate when the combustor air supply pipe 89 is open. As a result, a predetermined amount of air (oxidant gas) is supplied to the combustor 86.

また、燃料電池システムは制御装置30を備えており、この制御装置30には、上述した各温度センサ21a1,23a1,55a、各ポンプ43,48,53,63,66,68、各バルブ42,45,54,64,69,74,75,76,92〜97、およびバーナ22bが接続されている(図2参照)。制御装置30はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、図3のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムの運転中に被毒されたシフト触媒23aを改質部21内に生成される改質ガスを用いて再生するため、硫黄被毒されたシフト触媒23aを、同シフト触媒23aと硫黄の化合物から硫黄を除去でき、しかも定常運転温度範囲より高温であり、かつシフト触媒の耐熱温度より低温である触媒再生温度まで昇温するように制御している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。   The fuel cell system also includes a control device 30, which includes the temperature sensors 21 a 1, 23 a 1, 55 a, the pumps 43, 48, 53, 63, 66, 68, the valves 42, 45, 54, 64, 69, 74, 75, 76, 92 to 97, and the burner 22b are connected (see FIG. 2). The control device 30 includes a microcomputer (not shown), and the microcomputer includes an input / output interface, a CPU, a RAM, and a ROM (all not shown) connected through a bus. The CPU executes a program corresponding to the flowchart of FIG. 3 to regenerate the shift catalyst 23a poisoned during the operation of the fuel cell system using the reformed gas generated in the reforming unit 21, The sulfur-poisoned shift catalyst 23a is heated to a catalyst regeneration temperature that can remove sulfur from the shift catalyst 23a and the sulfur compound, and that is higher than the normal operating temperature range and lower than the heat resistance temperature of the shift catalyst. You are in control. The RAM temporarily stores variables necessary for executing the program, and the ROM stores the program.

次に、上述した燃料電池システムの起動について図3および図4を参照して説明する。制御装置30は、時刻t0にて図示しない起動スイッチがオンされると、図3に示すプログラムを実行して図4に示すように燃料電池システムを制御する。制御装置30は、ステップ102にて、第1改質ガスバルブ74、第1オフガスバルブ75、第3オフガスバルブ93、第2燃焼ガスバルブ95および第3燃焼ガスバルブ96を閉じ、第2改質ガスバルブ76および第2オフガスバルブ92を開いてCO選択酸化部24をバーナ22bに接続し、第1燃料バルブ42を開き第2燃料バルブ45を閉じて燃焼用燃料ポンプ48および燃焼用空気ポンプ66を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気をバーナ22bに供給してバーナ22bを着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部21内の改質触媒21aおよび蒸発器55が加熱される。   Next, activation of the above-described fuel cell system will be described with reference to FIGS. When a start switch (not shown) is turned on at time t0, control device 30 executes the program shown in FIG. 3 and controls the fuel cell system as shown in FIG. In step 102, the control device 30 closes the first reformed gas valve 74, the first offgas valve 75, the third offgas valve 93, the second combustion gas valve 95, and the third combustion gas valve 96, The second off-gas valve 92 is opened to connect the CO selective oxidation unit 24 to the burner 22b, the first fuel valve 42 is opened, the second fuel valve 45 is closed, and the combustion fuel pump 48 and the combustion air pump 66 are driven. Combustion fuel and combustion air are supplied to the burner 22b to ignite the burner 22b. Thereby, the fuel for combustion is combusted, and the reforming catalyst 21a and the evaporator 55 in the reforming unit 21 are heated by the combustion gas.

制御装置30は、温度センサ55aにより蒸発器55の温度を検出し、この検出した温度が第1の所定温度Th1以上となれば(時刻t1)、水バルブ54を開き、水ポンプ53を駆動させ水タンクSwの水を所定流量(所定供給量:通常運転流量であり、例えばS/Cが3となる流量)だけ蒸発器55を介して改質部21に供給する(ステップ104,106)。   The control device 30 detects the temperature of the evaporator 55 by the temperature sensor 55a, and when the detected temperature is equal to or higher than the first predetermined temperature Th1 (time t1), the water valve 54 is opened and the water pump 53 is driven. The water in the water tank Sw is supplied to the reforming unit 21 through the evaporator 55 by a predetermined flow rate (predetermined supply amount: normal operation flow rate, for example, a flow rate at which S / C is 3) (steps 104 and 106).

制御装置30は、蒸発器55の温度が所定温度Th1以上となった時点(時刻t1)からタイマのカウントを開始する。タイマが第1所定時間T1(例えば1分)以上となれば(時刻t2)、第2燃料バルブ45を開いて燃料ポンプ43を駆動させ燃料供給源Sfの燃料を所定流量(所定供給量:通常運転流量であり、例えばS/Cが3となる流量)だけ改質部21に供給するとともに、第1空気バルブ64を開いて空気ポンプ63を駆動させ空気供給源Saの空気を所定流量(所定供給量:通常運転流量)だけCO選択酸化部24に供給する(ステップ108,110)。これにより、改質部21では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部21から導出された改質ガスはCOシフト部23およびCO選択酸化部24により一酸化炭素ガスを低減されてCO選択酸化部24から導出され、燃焼部22のバーナ22bに供給され燃焼される。   The control device 30 starts counting the timer from the time (time t1) when the temperature of the evaporator 55 becomes equal to or higher than the predetermined temperature Th1. If the timer is equal to or longer than the first predetermined time T1 (for example, 1 minute) (time t2), the second fuel valve 45 is opened to drive the fuel pump 43, and the fuel from the fuel supply source Sf is supplied at a predetermined flow rate (predetermined supply amount: normal The operating flow rate, for example, a flow rate at which S / C becomes 3) is supplied to the reforming unit 21, and the first air valve 64 is opened to drive the air pump 63, and the air from the air supply source Sa is supplied at a predetermined flow rate (predetermined flow rate). (Supply amount: normal operation flow rate) is supplied to the CO selective oxidation unit 24 (steps 108 and 110). Thereby, in the reforming part 21, the steam reforming reaction and the carbon monoxide shift reaction described above occur and the reformed gas is generated. The reformed gas derived from the reforming unit 21 is derived from the CO selective oxidizing unit 24 with the carbon monoxide gas reduced by the CO shift unit 23 and the CO selective oxidizing unit 24 and supplied to the burner 22b of the combustion unit 22. And burned.

制御装置30は、時刻t2からタイマのカウントを開始し、タイマが第2所定時間T2(例えば3分)以上となれば(時刻t3)、第2オフガスバルブ92を閉じ第3オフガスバルブ93、および第1および第2燃焼ガスバルブ94,95を開いて、CO選択酸化部24を燃料電池10を介さずに改質ガス供給管71およびバイパス管73を介して燃焼器86に接続し、CO選択酸化部24からの改質オフガスを燃焼器86に供給するとともに、第2空気バルブ97を開いて空気供給源Saの空気を所定流量だけ燃焼器86に供給する(ステップ112,114)。これにより、燃焼器86において、改質オフガスが燃焼され、その燃焼ガスは、第1および第2熱交換器87a,87bを通ってバーナ22bに供給され、未燃焼で残っている可燃性ガスがバーナ22bにて燃焼される。   The control device 30 starts counting of the timer from time t2, and when the timer becomes equal to or longer than a second predetermined time T2 (eg, 3 minutes) (time t3), the second offgas valve 92 is closed and the third offgas valve 93, and The first and second combustion gas valves 94 and 95 are opened, and the CO selective oxidation unit 24 is connected to the combustor 86 via the reformed gas supply pipe 71 and the bypass pipe 73 without passing through the fuel cell 10, and CO selective oxidation is performed. The reformed off-gas from the unit 24 is supplied to the combustor 86, and the second air valve 97 is opened to supply air from the air supply source Sa to the combustor 86 at a predetermined flow rate (steps 112 and 114). As a result, the reformed off-gas is combusted in the combustor 86, and the combustion gas is supplied to the burner 22b through the first and second heat exchangers 87a and 87b, and unburned combustible gas remains. It is burned by the burner 22b.

第1熱交換器87aにおいては起動時でまだ低温であるCOシフト部23に導入される改質ガスが燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、COシフト部23においては、昇温された改質ガスが導入されシフト触媒23aが触媒再生温度(後述する)まで昇温される。また、第2熱交換器87bにおいても起動時でまだ低温であるCOシフト部23を通過中の改質ガスが燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、COシフト部23においては、昇温された改質ガスが導入され折り返し部以降のシフト触媒23aが触媒再生温度(後述する)まで昇温される。   In the first heat exchanger 87a, the reformed gas introduced into the CO shift unit 23, which is still at a low temperature at the time of startup, is heat-exchanged with the combustion gas, and the temperature is raised. The reformed gas thus introduced is introduced and the shift catalyst 23a is heated to the catalyst regeneration temperature (described later). In the second heat exchanger 87b as well, the reformed gas passing through the CO shift portion 23 that is still at a low temperature at the time of start-up is heat-exchanged with the combustion gas, and the temperature is raised. The reformed gas whose temperature has been raised is introduced, and the shift catalyst 23a after the turn-up portion is heated to a catalyst regeneration temperature (described later).

COシフト部23の温度制御は、燃焼器86への空気の投入量(供給量)を調整することによって行っている。その投入量は、燃料の供給量を1としたときに、投入開始時(COシフト部暖機開始時)に1.1とし、投入終了時(COシフト部暖機完了時)に0とする。投入開始から終了までの間においては、その供給量は可変であり、その範囲は0.7〜1.1である。いずれにしても、最大供給量は、シフト触媒の耐熱温度(300℃〜500℃)を考慮して設定されており、実際には、COシフト部23すなわちシフト触媒23aの温度が300℃〜350℃となるように設定されている。   The temperature control of the CO shift unit 23 is performed by adjusting the input amount (supply amount) of air to the combustor 86. When the fuel supply amount is 1, the input amount is 1.1 at the start of input (at the start of CO shift unit warm-up) and 0 at the end of input (at the completion of CO shift unit warm-up). . From the start to the end of charging, the supply amount is variable, and the range is 0.7 to 1.1. In any case, the maximum supply amount is set in consideration of the heat resistance temperature (300 ° C. to 500 ° C.) of the shift catalyst. In practice, the temperature of the CO shift unit 23, that is, the shift catalyst 23 a is 300 ° C. to 350 ° C. It is set to be ℃.

このように改質ガスの生成中において、制御装置30は、温度センサ23a1によりCOシフト部23の触媒23aの温度を検出し、この検出した温度が第2の所定温度Th2以上となれば(時刻t4)、第2空気バルブ97を第3所定時間T3をかけて徐々に閉じて燃焼器86への空気の供給を停止する(ステップ116,118,120)。これにより、第1および第2熱交換器87a,87bに供給される燃焼ガスの熱量が徐々に減少し、すなわち燃焼ガスによって改質ガスが昇温されなくなる。   Thus, during the generation of the reformed gas, the control device 30 detects the temperature of the catalyst 23a of the CO shift unit 23 by the temperature sensor 23a1, and if this detected temperature is equal to or higher than the second predetermined temperature Th2 (time). t4), the second air valve 97 is gradually closed over a third predetermined time T3 to stop the supply of air to the combustor 86 (steps 116, 118, 120). As a result, the amount of heat of the combustion gas supplied to the first and second heat exchangers 87a and 87b gradually decreases, that is, the temperature of the reformed gas is not increased by the combustion gas.

制御装置30は、時刻t4からタイマのカウントを開始し、タイマが第3所定時間T3(例えば30分)以上となれば(時刻t5)、第1改質ガスバルブ74および第1オフガスバルブ75ならびに第2オフガスバルブ92を開き、第3オフガスバルブ93、第1〜第3燃焼ガスバルブ94〜96および第2改質ガスバルブ76を閉じて、CO選択酸化部24を燃料電池10の燃料極11の導入口に接続するとともに燃料極11の導出口をバーナ22bに接続する(ステップ120,122)。   The control device 30 starts counting the timer from time t4, and when the timer reaches a third predetermined time T3 (for example, 30 minutes) or more (time t5), the first reformed gas valve 74, the first offgas valve 75, and the first The 2 off gas valve 92 is opened, the 3rd off gas valve 93, the 1st-3rd combustion gas valves 94-96, and the 2nd reformed gas valve 76 are closed, and the CO selective oxidation part 24 is made into the inlet of the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. And the outlet of the fuel electrode 11 is connected to the burner 22b (steps 120 and 122).

そして、制御装置30は、ステップ124において、定常運転(燃料電池10を発電させる運転モード)を開始する。このとき、燃料ポンプ43、水ポンプ53および空気ポンプ63の駆動を継続させて燃料、水(水蒸気)および空気を改質装置20に供給する。具体的には、改質水の供給流量は時刻t1からほぼ一定であり、燃料の供給流量は時刻t2からほぼ一定であるので、改質部21にはそれぞれ供給開始時と同一量(通常運転中の供給量)の改質水および燃料が所定の比率(例えばS/C(スチーム・カーボン比)=3)にて供給され続けている。また、CO選択酸化部24への酸化用空気の供給流量は基本的には時刻t2からほぼ一定であるが、CO選択酸化部24の導入口の温度を80℃〜200℃の間に制御するようにその供給流量を調整している。また、燃焼用燃料ポンプ48および燃焼用空気ポンプ66を駆動させ燃焼用燃料および燃焼用空気をアノードオフガスの供給量を考慮した所定流量(所定供給量:定常運転流量)となるようにバーナ22bに供給する。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止する。   In step 124, the control device 30 starts a steady operation (an operation mode in which the fuel cell 10 generates power). At this time, the fuel pump 43, the water pump 53, and the air pump 63 are continuously driven to supply fuel, water (water vapor), and air to the reformer 20. Specifically, the reforming water supply flow rate is substantially constant from time t1, and the fuel supply flow rate is substantially constant from time t2. Medium supply amount) of reforming water and fuel are continuously supplied at a predetermined ratio (for example, S / C (steam carbon ratio) = 3). The supply flow rate of the oxidizing air to the CO selective oxidation unit 24 is basically constant from time t2, but the temperature at the inlet of the CO selective oxidation unit 24 is controlled between 80 ° C. and 200 ° C. The supply flow rate is adjusted as follows. Further, the combustion fuel pump 48 and the combustion air pump 66 are driven so that the combustion fuel and the combustion air are supplied to the burner 22b so as to have a predetermined flow rate (predetermined supply amount: steady operation flow rate) in consideration of the supply amount of the anode off gas. Supply. When the stop switch is pressed, the fuel cell system stops.

このような通常運転の起動・停止が繰り返し行われる燃料電池システムを長い間使用すると、通常運転中にシフト触媒23aが硫黄化合物によって被毒される。これは以下の理由による。改質部21に供給される燃料としては、天然ガスを主成分とした都市ガス、LPG、ナフサ、灯油などが用いられるが、都市ガスまたはLPGには付臭剤として硫黄化合物が数ppm含まれ、灯油には不純物として硫黄化合物が数十ppm含まれている。改質部21に燃料を供給する燃料供給管41には、硫黄化合物によって改質触媒21aおよびシフト触媒23aが被毒されるのを防止するため燃料中の硫黄化合物を取り除く脱硫器44が設けられている。しかし、脱硫器44は完全に硫黄化合物を除去できないので、硫黄化合物が僅かながらシフト触媒23aに流入し続ける。その結果、徐々にシフト触媒23aが硫黄化合物によって被毒される。また、被毒された改質触媒21aを再生した際に除去された硫黄化合物によって改質部21の下流にあるCOシフト部23のシフト触媒23aが被毒される。   When such a fuel cell system in which the normal operation is repeatedly started and stopped is used for a long time, the shift catalyst 23a is poisoned by the sulfur compound during the normal operation. This is due to the following reason. As the fuel supplied to the reforming unit 21, city gas mainly composed of natural gas, LPG, naphtha, kerosene, etc. are used. City gas or LPG contains several ppm of sulfur compounds as odorants. Kerosene contains several tens of ppm of sulfur compounds as impurities. The fuel supply pipe 41 that supplies fuel to the reforming unit 21 is provided with a desulfurizer 44 that removes sulfur compounds in the fuel in order to prevent the reforming catalyst 21a and the shift catalyst 23a from being poisoned by sulfur compounds. ing. However, since the desulfurizer 44 cannot completely remove the sulfur compound, the sulfur compound continues to slightly flow into the shift catalyst 23a. As a result, the shift catalyst 23a is gradually poisoned by the sulfur compound. In addition, the shift catalyst 23a of the CO shift unit 23 downstream of the reforming unit 21 is poisoned by the sulfur compound removed when the poisoned reforming catalyst 21a is regenerated.

具体的には、シフト触媒23aがPt(白金)系である場合、改質触媒21aが、下記化4に示すような化学反応によって硫黄化合物によって被毒される。
(化4)
Pt+2HS→PtS+2H−Q1
この反応は、上記化4から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Q1が吸熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Q1が発熱される。
Specifically, when the shift catalyst 23a is a Pt (platinum) system, the reforming catalyst 21a is poisoned by a sulfur compound by a chemical reaction as shown in the following chemical formula 4.
(Chemical formula 4)
Pt + 2H 2 S → PtS 2 + 2H 2 −Q1
As is apparent from the above-mentioned chemical formula 4, when the reaction proceeds to the right side, the amount of heat Q1 is absorbed, and conversely, when the reaction proceeds to the left side, the amount of heat Q1 is generated.

しかし、上述したように起動時において、具体的には時刻t4を挟んだ所定時間において、シフト触媒23aの温度は触媒再生温度(具体的には400℃以上)となる。これにより、シフト触媒23aは再生処理されている。触媒再生温度は、定常運転温度範囲(150℃〜350℃)より高温でありかつ触媒の耐熱温度(約500℃)より低温であり、シフト触媒23aと硫黄の化合物から硫黄を除去できる温度(温度範囲)である。さらに、触媒再生温度は、上記化4において、左側に反応が進むに必要な温度に設定されている。したがって、シフト触媒23aにおいては、上記化4から明らかなように左側に進む反応が起きるので、被毒された触媒と改質ガス中の水素が反応して硫化物とPt(白金)が生成されることにより、被毒された触媒から硫黄が除去されて触媒が再生される。   However, as described above, at the time of start-up, specifically, for a predetermined time with time t4, the temperature of the shift catalyst 23a becomes the catalyst regeneration temperature (specifically, 400 ° C. or more). Thereby, the shift catalyst 23a is regenerated. The catalyst regeneration temperature is higher than the steady operation temperature range (150 ° C. to 350 ° C.) and lower than the heat resistant temperature of the catalyst (about 500 ° C.), and is a temperature (temperature) at which sulfur can be removed from the shift catalyst 23a and the sulfur compound. Range). Further, the catalyst regeneration temperature is set to a temperature necessary for the reaction to proceed on the left side in the above chemical formula 4. Therefore, in the shift catalyst 23a, the reaction proceeding to the left side as apparent from the above chemical formula 4 occurs, so that the poisoned catalyst and hydrogen in the reformed gas react to generate sulfide and Pt (platinum). Thus, sulfur is removed from the poisoned catalyst and the catalyst is regenerated.

上述した説明から理解できるように、この第1の実施の形態においては、燃料電池システムの起動時に、硫黄被毒されたシフト触媒23aを改質部21内に生成される改質ガスを用いて再生するため、硫黄被毒されたシフト触媒23aを、同シフト触媒23aと硫黄の化合物から硫黄を除去できる触媒再生温度まで少なくとも昇温する。これにより、反応平衡を利用して発熱反応であるシフト触媒23aの被毒の逆向きの化学反応を促進させることにより、シフト触媒23aに化合した物質または吸着された物質を触媒から容易に離脱させる(除去する)ことができる。したがって、別の装置を設けることなくシフト触媒を再生することにより装置の複雑化・高コスト化を抑制することができる。   As can be understood from the above description, in the first embodiment, the reformed gas generated in the reforming unit 21 is converted to the sulfur-poisoned shift catalyst 23a when the fuel cell system is started. In order to regenerate, the sulfur-poisoned shift catalyst 23a is at least heated to a catalyst regeneration temperature at which sulfur can be removed from the shift catalyst 23a and a sulfur compound. Accordingly, the chemical reaction opposite to the poisoning of the shift catalyst 23a, which is an exothermic reaction, is promoted using the reaction equilibrium, so that the substance combined with or adsorbed to the shift catalyst 23a can be easily separated from the catalyst. (Can be removed). Therefore, by regenerating the shift catalyst without providing another device, the complexity and cost of the device can be suppressed.

また、触媒再生温度は、通常運転温度(定常運転温度範囲)よりも高い温度であるので、確実にシフト触媒23aを再生することができる。   Further, since the catalyst regeneration temperature is higher than the normal operation temperature (steady operation temperature range), the shift catalyst 23a can be reliably regenerated.

また、COシフト部23に設けられて改質ガスとの間で熱交換する第1および第2熱交換器87a,87bをさらに備え、第1および第2熱交換器87a,87bによってシフト触媒23aの温度を触媒再生温度に調整する。これにより、通常運転時には高温である改質ガスをシフト反応温度まで低下させる第1および第2熱交換器87a,87bを使用して触媒再生することにより、ファンや電気ヒータを作動させる電気エネルギーを使用しなくて済むので、燃料電池システム全体としてエネルギー効率よく触媒再生することができる。   The CO shift unit 23 further includes first and second heat exchangers 87a and 87b that exchange heat with the reformed gas, and the first and second heat exchangers 87a and 87b shift the shift catalyst 23a. Is adjusted to the catalyst regeneration temperature. Accordingly, the electric energy for operating the fan and the electric heater is obtained by regenerating the catalyst using the first and second heat exchangers 87a and 87b that reduce the high temperature reformed gas to the shift reaction temperature during normal operation. Since it is not necessary to use the catalyst, the entire fuel cell system can regenerate the catalyst efficiently.

また、第1および第2熱交換器87a,87bは、COシフト部23から導出される改質ガスおよび酸化剤ガスを導入して内蔵の燃焼触媒によって燃焼する燃焼器86からその燃焼ガスが供給され、その燃焼ガスと改質ガスとの間で熱交換させるものであるので、起動時に燃料電池10に供給できない改質ガスを使用してまだ低温である改質ガスを昇温しシフト触媒23aを昇温する。したがって、簡単な構成にてより燃料電池システムに投入されるエネルギーを効率よく使用して触媒を再生することができる。   The first and second heat exchangers 87a and 87b supply the combustion gas from the combustor 86 that introduces the reformed gas and the oxidant gas derived from the CO shift unit 23 and burns with the built-in combustion catalyst. Since the heat exchange is performed between the combustion gas and the reformed gas, the reformed gas that is still at a low temperature is heated by using the reformed gas that cannot be supplied to the fuel cell 10 at the time of start-up, and the shift catalyst 23a. Raise the temperature. Therefore, the catalyst can be regenerated by efficiently using the energy input to the fuel cell system with a simple configuration.

また、酸化剤ガスの投入量を調整して燃焼ガスの熱量を調整することにより、シフト触媒23aの温度を触媒再生温度に調整する。したがって、制御性よく触媒温度を調整することができる。   Further, the temperature of the shift catalyst 23a is adjusted to the catalyst regeneration temperature by adjusting the input amount of the oxidant gas to adjust the heat amount of the combustion gas. Therefore, the catalyst temperature can be adjusted with good controllability.

なお、上述した実施の形態においては、燃焼器86への空気投入を、燃料(改質13A)投入開始時点から所定時間T2経過した時点に開始するようにしたが、燃料投入開始時点(時刻t2)と同時に開始するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the air input to the combustor 86 is started when the predetermined time T2 has elapsed from the fuel (reformation 13A) start time, but the fuel start time (time t2). ) May be started at the same time.

2)第2の実施の形態
以下、本発明による燃料電池システムの第2の実施の形態について図5〜図7を参照して説明する。上述した第1の実施の形態と比較して下記の2点で異なる。本第2の実施の形態においては、水ポンプ53を制御して通常運転中の供給量より多い量の改質水を供給することにより、改質触媒21aを触媒再生温度まで昇温している。また、燃料の供給開始と同時に燃焼器86の燃焼を開始している。
2) Second Embodiment Hereinafter, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIGS. Compared to the first embodiment described above, the following two points are different. In the second embodiment, the reforming catalyst 21a is heated to the catalyst regeneration temperature by controlling the water pump 53 and supplying a larger amount of reforming water than the amount supplied during normal operation. . The combustion of the combustor 86 is started simultaneously with the start of fuel supply.

制御装置30は、図5に示すフローチャートに沿ってプログラムを実行するが、基本的には、上述した図3に示すプログラムと同様な処理を実行する。以下、図3に示すプログラムと異なる部分について説明する。制御装置30は、ステップ106にて水バルブ54を開いて改質水の供給を開始するとともに、蒸発器55の温度が所定温度Th1以上となった時点(時刻t11)からタイマのカウントを開始する。タイマが第4所定時間T4(例えば30分)以上となれば(時刻t12)、上述したステップ110と114の処理を同時に行って、燃料を所定流量だけ改質部21に供給すると同時に空気を所定流量(所定供給量:通常運転流量)だけCO選択酸化部24に供給する(ステップ202,204)。   The control device 30 executes the program according to the flowchart shown in FIG. 5, but basically executes the same processing as the program shown in FIG. 3 described above. Hereinafter, parts different from the program shown in FIG. 3 will be described. In step 106, the control device 30 opens the water valve 54 and starts supplying reformed water, and starts counting the timer from the time (time t11) when the temperature of the evaporator 55 becomes equal to or higher than the predetermined temperature Th1. . If the timer is equal to or longer than a fourth predetermined time T4 (for example, 30 minutes) (time t12), the processes of steps 110 and 114 described above are performed simultaneously to supply fuel to the reforming unit 21 at a predetermined flow rate and at the same time air is predetermined. Only the flow rate (predetermined supply amount: normal operation flow rate) is supplied to the CO selective oxidation unit 24 (steps 202 and 204).

このとき、制御装置30は、図6に示すフローチャートに沿ってプログラムを並行して実行する。すなわち、制御装置30は、ステップ106にて水バルブ54を開いて改質水の供給を開始した上で、第6所定時間T6(例えば20分)だけ通常運転中の供給量より多い量の改質水を供給している。(ステップ302〜306)。例えば、改質水の第2再生運転流量が通常運転流量の燃料に対してS/C(スチーム・カーボン比)=15となるように供給されている。このように所定温度まで加熱された改質部21内に改質水のみ多量に投入されると、多量の水蒸気が発生し、この水蒸気が熱媒体として機能するため、改質触媒21aの熱伝導性が向上し燃焼部22から供給される熱および局所的に熱せられた改質装置の熱容器から熱媒体に受熱された熱が触媒内を伝播しやすくなる。したがって、改質部21が定常運転温度範囲より昇温される。これにより、短時間に高温化された改質ガスがCOシフト部23に供給されることになる。さらに、前述した改質部21に生じている改質水の多量投与による高温化は、COシフト部23においても発生しているので、COシフト部23が定常運転温度範囲より昇温される。なお、第2再生運転流量は、COシフト部23の温度が触媒再生温度(具体的には300〜350℃)となるように設定されている。   At this time, the control device 30 executes the program in parallel according to the flowchart shown in FIG. That is, the control device 30 opens the water valve 54 in step 106 and starts supplying reforming water, and then, the control device 30 increases the amount that is larger than the supply amount during normal operation for a sixth predetermined time T6 (for example, 20 minutes). Supplying quality water. (Steps 302 to 306). For example, the reforming water is supplied so that the second regeneration operation flow rate is S / C (steam / carbon ratio) = 15 with respect to the fuel of the normal operation flow rate. Thus, when only a large amount of reformed water is introduced into the reforming section 21 heated to a predetermined temperature, a large amount of steam is generated and this steam functions as a heat medium. Therefore, the heat conduction of the reforming catalyst 21a. As a result, the heat supplied from the combustion unit 22 and the heat received by the heat medium from the heat vessel of the reformer that has been locally heated easily propagate in the catalyst. Therefore, the temperature of the reforming unit 21 is raised from the steady operation temperature range. As a result, the reformed gas heated to a high temperature in a short time is supplied to the CO shift unit 23. Furthermore, since the high temperature due to the large amount of reforming water generated in the reforming unit 21 described above also occurs in the CO shift unit 23, the CO shift unit 23 is heated from the steady operation temperature range. The second regeneration operation flow rate is set so that the temperature of the CO shift unit 23 becomes the catalyst regeneration temperature (specifically, 300 to 350 ° C.).

さらに、触媒再生温度は、上記化4において、左側に反応が進むに必要な温度に設定されている。したがって、シフト触媒23aにおいては、上記化4から明らかなように左側に進む反応が起きるので、被毒された触媒と改質ガス中の水素が反応して硫化物とPt(白金)が生成されることにより、被毒された触媒から硫黄が除去されて触媒が再生される。   Further, the catalyst regeneration temperature is set to a temperature necessary for the reaction to proceed on the left side in the above chemical formula 4. Therefore, in the shift catalyst 23a, the reaction proceeding to the left side as apparent from the above chemical formula 4 occurs, so that the poisoned catalyst and hydrogen in the reformed gas react to generate sulfide and Pt (platinum). Thus, sulfur is removed from the poisoned catalyst and the catalyst is regenerated.

また、制御装置30は、時刻t13からタイマのカウントを開始し、タイマが第5所定時間T5(例えば3分)以上となれば(時刻t15)、第1改質ガスバルブ74および第1オフガスバルブ75ならびに第2オフガスバルブ92を開き、第3オフガスバルブ93、第1〜第3燃焼ガスバルブ94〜96および第2改質ガスバルブ76を閉じて、CO選択酸化部24を燃料電池10の燃料極11の導入口に接続するとともに燃料極11の導出口をバーナ22bに接続する(ステップ206,122)。   Further, the control device 30 starts counting the timer from time t13, and when the timer becomes equal to or longer than a fifth predetermined time T5 (for example, 3 minutes) (time t15), the first reformed gas valve 74 and the first off-gas valve 75. In addition, the second off gas valve 92 is opened, the third off gas valve 93, the first to third combustion gas valves 94 to 96, and the second reformed gas valve 76 are closed, and the CO selective oxidation unit 24 is connected to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. In addition to being connected to the inlet, the outlet of the fuel electrode 11 is connected to the burner 22b (steps 206 and 122).

上述した説明から理解できるように、この第2の実施の形態においては、燃料電池システムの通常運転中に被毒されたシフト触媒23aを改質部21内に生成される改質ガスを用いて再生する際に、燃焼部22は通常運転中と同様に燃焼させ、水ポンプ53を制御して通常運転中の供給量より多い量の改質水を供給することにより、シフト触媒23aを触媒再生温度まで昇温する。これにより、反応平衡を利用して発熱反応である改質触媒の被毒の逆向きの化学反応を促進させることにより、改質触媒に化合した物質または吸着された物質を触媒から容易に離脱させる(除去する)ことができる。したがって、従来の燃料電池システムに別の装置を設けることなく改質触媒を再生することにより装置の複雑化・高コスト化を抑制することができる。   As can be understood from the above description, in the second embodiment, the shift catalyst 23a poisoned during the normal operation of the fuel cell system is used by using the reformed gas generated in the reforming unit 21. At the time of regeneration, the combustion unit 22 combusts in the same manner as during normal operation, and controls the water pump 53 to supply a larger amount of reforming water than the amount supplied during normal operation, thereby regenerating the shift catalyst 23a. Raise to temperature. As a result, the chemical reaction opposite to the poisoning of the reforming catalyst, which is an exothermic reaction, is promoted by utilizing the reaction equilibrium, so that the substance combined with the reforming catalyst or the adsorbed substance can be easily separated from the catalyst. (Can be removed). Therefore, by regenerating the reforming catalyst without providing another device in the conventional fuel cell system, the complexity and cost of the device can be suppressed.

また、上述した実施の形態においては、本発明を、水蒸気改質方式の改質装置20を備えた燃料電池システムに適用したが、オートサーマル方式の改質装置を備えた燃料電池システムに適用可能である。水蒸気改質方式は、吸熱反応である水蒸気改質反応に必要な熱を外部(例えばバーナなどの燃焼部)から供給するものであり、これに対して、オートサーマル方式は、改質部に燃料および改質水とともに酸化剤ガス(空気)を供給して燃料を酸化剤ガスによって発熱反応である酸化反応させその際発生する熱を水蒸気改質反応に使用するものである。したがって、通常運転中に水蒸気改質反応に必要な熱を供給するため燃焼部の燃焼量などを調整する必要はないが、改質部への燃料、改質水および酸化剤ガスの供給量比などを調整する必要がある。   In the above-described embodiments, the present invention is applied to the fuel cell system including the steam reforming reformer 20, but can be applied to the fuel cell system including the autothermal reforming device. It is. In the steam reforming method, heat necessary for the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, is supplied from the outside (for example, a combustion section such as a burner). On the other hand, in the autothermal system, fuel is supplied to the reforming section. In addition, an oxidant gas (air) is supplied together with reforming water, and the fuel is subjected to an oxidative reaction that is an exothermic reaction with the oxidant gas, and heat generated at that time is used for the steam reforming reaction. Therefore, it is not necessary to adjust the amount of combustion in the combustion section to supply the heat necessary for the steam reforming reaction during normal operation, but the ratio of fuel, reforming water and oxidant gas supply to the reforming section It is necessary to adjust.

このオートサーマル方式の場合において、改質水供給手段は、触媒を再生する際に通常運転中の供給量より多い量の改質水を供給することにより、改質触媒を触媒再生温度まで昇温することが好ましい。   In the case of this autothermal method, the reforming water supply means raises the reforming catalyst to the catalyst regeneration temperature by supplying a larger amount of reforming water than the supply amount during normal operation when the catalyst is regenerated. It is preferable to do.

また、上述した各実施の形態においては、再生処理を燃料電池システムの起動時に行う場合について説明したが、再生処理を燃料電池システムの稼動中に定期的に行うようにしてもよい。   In each of the above-described embodiments, the case where the regeneration process is performed when the fuel cell system is activated has been described. However, the regeneration process may be performed periodically while the fuel cell system is operating.

また、上述した各実施の形態においては、燃焼器86および熱交換器87を別々に設けるように構成したが、熱交換器87と燃焼器86を一体構造体とするようにしてもよい。具体的には、図8に示すように、第1の実施の形態の燃料電池システムから、燃焼器86、第2熱交換器87b、燃焼ガス供給管91および第3燃焼ガスバルブ96を削除し、第1熱交換器87aに燃焼器86と同様な燃焼触媒を内蔵させる構成となっている。第1熱交換器87aの導入口には、凝縮器78の下流にてオフガス供給管72から分岐した燃焼用オフガス供給管88が接続されており、CO選択酸化部24からの改質オフガスまたは燃料電池10からのアノードオフガスが供給されるようになっている。また、燃焼器用空気供給管89が燃焼用オフガス供給管88に合流されており、酸化剤ガスである空気が改質オフガスまたはアノードオフガスに混合されて第1熱交換器87aに供給されるようになっている。第1熱交換器87aの導出口には、バーナ22bの上流にてオフガス供給管72に合流する燃焼ガス供給管90が接続されており、燃焼ガスがバーナ22bに供給されるようになっている。これにより、熱交換器87(第1熱交換器87a)中で燃焼させるので、燃焼熱を効率的に使用することができる。また、燃焼を燃焼触媒とした場合、触媒の耐熱性を超えない範囲での燃焼熱で十分な効果を得ることができる。   Moreover, in each embodiment mentioned above, although comprised so that the combustor 86 and the heat exchanger 87 might be provided separately, you may make it make the heat exchanger 87 and the combustor 86 integral. Specifically, as shown in FIG. 8, the combustor 86, the second heat exchanger 87b, the combustion gas supply pipe 91, and the third combustion gas valve 96 are deleted from the fuel cell system of the first embodiment. The first heat exchanger 87a is configured to incorporate a combustion catalyst similar to the combustor 86. A combustion offgas supply pipe 88 branched from the offgas supply pipe 72 downstream of the condenser 78 is connected to the introduction port of the first heat exchanger 87a, and the reformed offgas or fuel from the CO selective oxidation unit 24 is connected. The anode off gas from the battery 10 is supplied. Further, the combustor air supply pipe 89 is joined to the combustion off gas supply pipe 88 so that the air, which is the oxidant gas, is mixed with the reformed off gas or the anode off gas and supplied to the first heat exchanger 87a. It has become. A combustion gas supply pipe 90 that joins the off-gas supply pipe 72 upstream of the burner 22b is connected to the outlet of the first heat exchanger 87a so that the combustion gas is supplied to the burner 22b. . Thereby, since it burns in the heat exchanger 87 (1st heat exchanger 87a), combustion heat can be used efficiently. When combustion is used as a combustion catalyst, a sufficient effect can be obtained with combustion heat within a range not exceeding the heat resistance of the catalyst.

本発明による燃料電池システムの第1の実施の形態の概要を示す概要図である。1 is a schematic diagram showing an outline of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 図1に示す燃料電池システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system shown in FIG. 図2に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the control program performed with the control apparatus shown in FIG. 本発明による燃料電池システムの第1の実施の形態の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows operation | movement of 1st Embodiment of the fuel cell system by this invention. 図2に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the control program performed with the control apparatus shown in FIG. 図2に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the control program performed with the control apparatus shown in FIG. 本発明による燃料電池システムの第2の実施の形態の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows operation | movement of 2nd Embodiment of the fuel cell system by this invention. 本発明による燃料電池システムの他の実施の形態の概要を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of other embodiment of the fuel cell system by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、20…改質装置、21…改質部、21a…改質触媒、21a1…温度センサ、21b…反応室、22…燃焼部、22b…バーナ、23…COシフト部、23a…触媒、24…CO選択酸化部、24a…触媒、24a1…温度センサ、30…制御装置、41…燃料供給管、42…第1燃料バルブ、43…燃料ポンプ、44…脱硫器、45…第2燃料バルブ、46…熱交換部、47…燃焼用燃料供給管、48…燃焼用燃料ポンプ、51…給水管、52…水蒸気供給管、53…水ポンプ、54…水バルブ、55…蒸発器、55a…温度センサ、61…酸化用空気供給管、62…フィルタ、63…空気ポンプ、64…第1空気バルブ、65…燃焼用空気供給管、66…燃焼用空気ポンプ、67…カソード用空気供給管、68…カソード用空気ポンプ、69…カソード用空気バルブ、71…改質ガス供給管、72…オフガス供給管、73…バイパス管、74…第1改質ガスバルブ、75…第1オフガスバルブ、76…第2改質ガスバルブ、77,78,79…凝縮器、81,82…排気管、84…回収水導出管、86…燃焼器、87…熱交換器、87a,87b…第1および第2熱交換器、88…燃焼用オフガス供給管、89…燃焼器用空気供給管、90…燃焼ガス供給管、91…燃焼ガスバイパス管、92…第2オフガスバルブ、93…第3オフガスバルブ、94〜96…第1〜第3燃焼ガスバルブ、97…第2空気バルブ、Sa…空気供給源、Sf…燃料供給源、Sw…改質水供給源。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 11 ... Fuel electrode, 12 ... Air electrode, 20 ... Reformer, 21 ... Reforming part, 21a ... Reforming catalyst, 21a1 ... Temperature sensor, 21b ... Reaction chamber, 22 ... Combustion part, 22b ... Burner, 23 ... CO shift unit, 23a ... catalyst, 24 ... CO selective oxidation unit, 24a ... catalyst, 24a1 ... temperature sensor, 30 ... control device, 41 ... fuel supply pipe, 42 ... first fuel valve, 43 ... fuel pump 44 ... Desulfurizer, 45 ... Second fuel valve, 46 ... Heat exchange section, 47 ... Fuel supply pipe for combustion, 48 ... Fuel pump for combustion, 51 ... Water supply pipe, 52 ... Water vapor supply pipe, 53 ... Water pump, 54 ... Water valve, 55 ... Evaporator, 55a ... Temperature sensor, 61 ... Oxidation air supply pipe, 62 ... Filter, 63 ... Air pump, 64 ... First air valve, 65 ... Combustion air supply pipe, 66 ... Combustion Air pump, 67 ... Cathau Air supply pipe, 68 ... Cathode air pump, 69 ... Cathode air valve, 71 ... Reformed gas supply pipe, 72 ... Off-gas supply pipe, 73 ... Bypass pipe, 74 ... First reformed gas valve, 75 ... First Off gas valve, 76 ... second reformed gas valve, 77, 78, 79 ... condenser, 81, 82 ... exhaust pipe, 84 ... recovered water outlet pipe, 86 ... combustor, 87 ... heat exchanger, 87a, 87b ... first 1 and 2nd heat exchanger, 88 ... Combustion off gas supply pipe, 89 ... Combustor air supply pipe, 90 ... Combustion gas supply pipe, 91 ... Combustion gas bypass pipe, 92 ... Second off gas valve, 93 ... Third off Gas valves, 94 to 96, first to third combustion gas valves, 97, second air valve, Sa, air supply source, Sf, fuel supply source, Sw, reformed water supply source.

Claims (5)

供給された燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して導出する改質部と、該改質部から導出された改質ガス中の一酸化炭素濃度を内部に充填されたシフト触媒によって低減して導出する一酸化炭素シフト反応部とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記一酸化炭素シフト反応部に設けられて前記改質ガスとの間で熱交換する熱交換手段をさらに備え、
硫黄被毒された前記シフト触媒を前記改質部内に生成される前記改質ガスを用いて再生するため、前記熱交換手段によって前記シフト触媒の温度を前記触媒再生温度に調整することで、硫黄被毒された前記シフト触媒を、同シフト触媒と硫黄の化合物から硫黄を除去できる触媒再生温度まで少なくとも昇温することを特徴とする燃料電池システム。
A reforming unit that generates and derives a reformed gas containing hydrogen by reforming the supplied fuel with a reforming catalyst filled therein, and one of the reformed gases derived from the reforming unit In a fuel cell system including a carbon monoxide shift reaction unit that reduces and derives a carbon oxide concentration by a shift catalyst filled therein,
Heat exchange means provided in the carbon monoxide shift reaction section for exchanging heat with the reformed gas;
In order to regenerate the shift catalyst poisoned with sulfur using the reformed gas generated in the reforming section, the temperature of the shift catalyst is adjusted to the catalyst regeneration temperature by the heat exchange means, so that sulfur A fuel cell system, wherein the poisoned shift catalyst is heated to at least a catalyst regeneration temperature capable of removing sulfur from the shift catalyst and a sulfur compound.
請求項1において、前記触媒再生温度は、通常運転温度よりも高い温度であることを特徴とする燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the catalyst regeneration temperature is higher than a normal operation temperature. 請求項1または請求項2において、前記熱交換手段は、前記一酸化炭素シフト反応部から導出される改質ガスおよび酸化剤ガスを導入して内蔵の燃焼触媒によって燃焼する燃焼器からその燃焼ガスが供給され、その燃焼ガスと改質ガスとの間で熱交換させるものであることを特徴とする燃料電池システム。 3. The heat exchange means according to claim 1 , wherein the heat exchange means introduces a reformed gas and an oxidant gas derived from the carbon monoxide shift reaction section and burns the combustion gas from a combustor combusted by a built-in combustion catalyst. Is supplied, and heat exchange is performed between the combustion gas and the reformed gas. 請求項3において、前記酸化剤ガスの投入量を調整することにより、シフト触媒を触媒再生温度まで昇温することを特徴とする燃料電池システム。 4. The fuel cell system according to claim 3 , wherein the shift catalyst is heated to a catalyst regeneration temperature by adjusting an input amount of the oxidant gas. 請求項1乃至請求項3の何れか一項において、前記改質水を前記改質部に供給する改質水供給手段をさらに備え、該改質水供給手段は、シフト触媒を再生する際に通常運転中の供給量より多い量の改質水を供給することにより、シフト触媒を触媒再生温度まで昇温することを特徴とする燃料電池システム。 The reforming water supply means according to any one of claims 1 to 3 , further comprising a reforming water supply means for supplying the reforming water to the reforming section, wherein the reforming water supply means is used when regenerating the shift catalyst. A fuel cell system, wherein the shift catalyst is heated to a catalyst regeneration temperature by supplying a larger amount of reforming water than the amount supplied during normal operation.
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