JP4800691B2 - Fuel cell reformer - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Description

この発明は燃料電池の改質装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell reforming apparatus.

従来より、燃料(例えば、メタンを主成分とする都市ガスなど)と水蒸気を改質触媒で反応させて水素を含有した改質ガス(アノードガス)を生成し、その改質ガスを燃料電池のアノード極(燃料極)に供給するようにした燃料電池の改質装置が種々提案されている。   Conventionally, a reformed gas (anode gas) containing hydrogen is produced by reacting a fuel (for example, city gas mainly composed of methane) and water vapor with a reforming catalyst, and the reformed gas is used as a fuel cell. Various fuel cell reforming apparatuses have been proposed in which they are supplied to the anode electrode (fuel electrode).

ところで、上記した改質触媒は、その温度が所定値(約700[℃])まで上昇したとき、改質反応が開始される。そのため、改質装置の始動時においては、改質触媒を速やかに昇温させることが望ましい。そこで、例えば特許文献1に記載される技術にあっては、改質触媒の近傍に燃焼バーナを配置し、その燃焼バーナの燃焼によって発生した排ガスで改質触媒を昇温させるようにしている。また、改質触媒をさらに早く昇温させる場合は、改質触媒の近傍にヒータを取り付けていた。
特開2002−20104号公報(段落0015,0016、図1など)
By the way, when the temperature of the above-described reforming catalyst rises to a predetermined value (about 700 [° C.]), the reforming reaction is started. Therefore, it is desirable to quickly raise the temperature of the reforming catalyst when starting the reformer. Therefore, for example, in the technique described in Patent Document 1, a combustion burner is disposed in the vicinity of the reforming catalyst, and the temperature of the reforming catalyst is raised by the exhaust gas generated by the combustion of the combustion burner. In addition, when the temperature of the reforming catalyst is increased more quickly, a heater is attached in the vicinity of the reforming catalyst.
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-20104 (paragraphs 0015, 0016, FIG. 1, etc.)

しかしながら、上記した如く、改質装置に燃焼バーナを取り付けると共に、ヒータも取り付けると、構成が複雑になってしまうという不具合があった。また、特許文献1記載の技術のように、燃焼バーナの排ガスで加熱する場合、改質触媒は外側から加熱されるため、改質触媒の外側部分から徐々に昇温することとなる。従って、複数種の触媒を備え、複雑な構造を呈する改質触媒にあっては、その温度が所定値まで上昇させられるのに時間がかかってしまい、改質装置の始動性の向上という点で改善の余地を残していた。   However, as described above, when the combustion burner is attached to the reformer and the heater is attached, there is a problem that the configuration becomes complicated. Moreover, when heating with the exhaust gas of a combustion burner like the technique of patent document 1, since a reforming catalyst is heated from the outside, it will heat up gradually from the outer part of a reforming catalyst. Therefore, in the case of a reforming catalyst having a plurality of types of catalysts and exhibiting a complicated structure, it takes time for the temperature to be raised to a predetermined value, and in terms of improving the startability of the reforming apparatus. There was room for improvement.

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、ヒータなどを用いない簡易な構成でありながら、改質触媒を改質反応が可能な所定温度まで速やかに昇温させ、始動性を向上させるようにした燃料電池の改質装置を提供することにある。   Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to quickly raise the temperature of the reforming catalyst to a predetermined temperature at which the reforming reaction can be performed, while improving the startability, while having a simple configuration without using a heater or the like. An object of the present invention is to provide a fuel cell reforming apparatus.

上記の目的を解決するために、請求項1にあっては、燃料と水蒸気を改質触媒で反応させて水素を含有した改質ガスを生成し、前記生成された改質ガスを燃料電池の燃料極に供給するようにした燃料電池の改質装置において、前記改質触媒の上流側に配置されて前記燃料を部分酸化させる部分酸化触媒と、前記改質触媒を加熱する燃焼器と、前記改質触媒に近接して配置されて前記燃焼器から流入される排ガスを排出する排ガス管とを備えると共に、始動時に、前記部分酸化によって発生したガスを前記改質触媒に供給した後、前記燃焼器に還流させて前記燃焼器で燃焼させると共に、前記燃焼によって発生した排ガスを前記排ガス管に流入させるように構成した。 In order to solve the above-mentioned object, in claim 1, a reformed gas containing hydrogen is generated by reacting a fuel and water vapor with a reforming catalyst, and the generated reformed gas is used in a fuel cell. In a fuel cell reforming apparatus configured to supply a fuel electrode, a partial oxidation catalyst that is disposed upstream of the reforming catalyst to partially oxidize the fuel, a combustor that heats the reforming catalyst, and An exhaust pipe disposed near the reforming catalyst and exhausting exhaust gas flowing from the combustor, and supplying the gas generated by the partial oxidation to the reforming catalyst at the start, and then the combustion The exhaust gas was recirculated to a combustor and burned in the combustor, and exhaust gas generated by the combustion was allowed to flow into the exhaust gas pipe .

また、請求項2にあっては、さらに、前記改質触媒の温度を検出する温度検出手段と、前記検出された改質触媒の温度が所定値を超えたとき、前記部分酸化によって発生したガスの供給を停止する停止手段とを備えるように構成した。   Further, in the present invention, the temperature detection means for detecting the temperature of the reforming catalyst, and the gas generated by the partial oxidation when the detected temperature of the reforming catalyst exceeds a predetermined value. And a stopping means for stopping the supply of.

請求項1に係る燃料電池の改質装置にあっては、燃料と水蒸気を反応させて水素を含有した改質ガスを生成する改質触媒の上流側に配置され、燃料を部分酸化させる部分酸化触媒と、改質触媒を加熱する燃焼器と、改質触媒に近接して配置されて燃焼器から流入される排ガスを排出する排ガス管とを備えると共に、始動時に、部分酸化によって発生したガスを改質触媒に供給した後、燃焼器に還流させて燃焼器で燃焼させると共に、燃焼によって発生した排ガスを排ガス管に流入させる、即ち、従来技術の如く、燃焼バーナの排ガスで改質触媒の外側から加熱するのではなく、発熱反応である部分酸化によって発生する比較的高温のガスを、改質触媒に直接供給して改質触媒の中を通過させることで加熱するように構成したので、ヒータなどを用いない簡易な構成でありながら、複雑な構造の改質触媒を所定値、正確には、改質反応が開始可能な温度まで速やかに昇温させて暖気することができ、よって改質装置の始動性を向上させることができる。さらに、改質触媒は酸化雰囲気に晒されると酸化してしまうが、部分酸化によって発生するガスは還元性ガスであるため、酸化することがない。 In the fuel cell reforming apparatus according to claim 1, the partial oxidation is performed on the upstream side of the reforming catalyst that reacts the fuel with water vapor to generate the reformed gas containing hydrogen and partially oxidizes the fuel. A catalyst , a combustor that heats the reforming catalyst, and an exhaust gas pipe that is disposed in the vicinity of the reforming catalyst and exhausts the exhaust gas flowing in from the combustor. after feeding to the reforming catalyst, the burning in the combustor refluxed to the combustor, the exhaust gas generated by combustion Ru to flow into the exhaust gas pipe, i.e., the prior art as, the combustion burner in the exhaust gas of the reforming catalyst Since it was configured not to heat from the outside but to heat by relatively supplying a relatively high temperature gas generated by partial oxidation, which is an exothermic reaction, directly to the reforming catalyst and passing through the reforming catalyst, Heater etc. Although it is a simple configuration that is not used, a reforming catalyst having a complicated structure can be quickly heated up to a predetermined value, more precisely, to a temperature at which the reforming reaction can be started, so that the reformer can be warmed up. Startability can be improved. Furthermore, although the reforming catalyst is oxidized when exposed to an oxidizing atmosphere, the gas generated by the partial oxidation is a reducing gas and is not oxidized.

また、請求項2に係る燃料電池の改質装置にあっては、さらに、改質触媒の温度を検出する温度検出手段と、検出された改質触媒の温度が所定値(正確には、改質反応が開始される値)を超えたとき、部分酸化によって発生したガスの供給を停止する停止手段とを備える、即ち、改質触媒を昇温させるときに前記したガスを供給する一方、改質触媒が昇温して改質反応が開始されるとき、部分酸化によって発生したガスの供給を停止するように構成したので、上記した効果に加え、改質触媒における改質反応に影響を与えることなく、改質触媒を昇温させることができる。   Further, in the fuel cell reforming apparatus according to claim 2, the temperature detecting means for detecting the temperature of the reforming catalyst, and the detected temperature of the reforming catalyst are set to a predetermined value (more accurately, the reforming catalyst). A stop means for stopping the supply of the gas generated by the partial oxidation when the temperature exceeds the reforming catalyst. When the reforming reaction is started when the temperature of the catalyst is increased, the supply of the gas generated by the partial oxidation is stopped, which affects the reforming reaction in the reforming catalyst in addition to the effects described above. Without this, the temperature of the reforming catalyst can be raised.

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の改質装置の最良の実施の形態について説明する。   DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A fuel cell reforming apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図1は、この発明の第1実施例に係る燃料電池の改質装置を説明するための概略図である。   FIG. 1 is a schematic view for explaining a fuel cell reforming apparatus according to a first embodiment of the present invention.

図1において、符号10は燃料電池(スタック)を示す。燃料電池10は、電解質膜(固体高分子膜)と、それを挟持するカソード極(空気極)とアノード極(燃料極)と、各電極の外側に配置されるセパレータ(いずれも図示せず)とから構成される単電池を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池である。   In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a fuel cell (stack). The fuel cell 10 includes an electrolyte membrane (solid polymer membrane), a cathode electrode (air electrode) and an anode electrode (fuel electrode) that sandwich the membrane, and a separator (none of which is shown) disposed outside each electrode. This is a known solid polymer fuel cell formed by stacking a plurality of unit cells composed of

燃料電池10には、カソード極にカソードガス(反応空気)を供給するカソードガス供給系12が接続される。カソードガス供給系12は、大気(空気)の粉塵を除去するエアクリーナ14と、エアクリーナ14の下流側に配置されてエアクリーナ14を通過した空気をカソードガスとして燃料電池10に圧送するカソードガスポンプ16と、カソードガスポンプ16を燃料電池10のカソード極の入口(図示せず)に接続するカソードガス流路18とを備える。カソードガスポンプ16は、その吸入口(図示せず)がエアクリーナ14を介して大気と連通されると共に、吐出口(図示せず)がカソードガス流路18を介して燃料電池10のカソード極の入口に接続される。   Connected to the fuel cell 10 is a cathode gas supply system 12 that supplies cathode gas (reaction air) to the cathode electrode. The cathode gas supply system 12 includes an air cleaner 14 that removes atmospheric (air) dust, a cathode gas pump 16 that is disposed downstream of the air cleaner 14 and that pumps air that has passed through the air cleaner 14 to the fuel cell 10 as cathode gas, And a cathode gas flow path 18 that connects the cathode gas pump 16 to an inlet (not shown) of the cathode electrode of the fuel cell 10. The cathode gas pump 16 has a suction port (not shown) communicating with the atmosphere via the air cleaner 14 and a discharge port (not shown) connected to the cathode electrode of the fuel cell 10 via the cathode gas flow path 18. Connected to.

また、燃料電池10には、アノード極にアノードガス(水素ガス)を供給するアノードガス供給系20が接続される。アノードガス供給系20は、改質装置22と、改質装置22を燃料電池10のアノード極の入口(図示せず)に接続するアノードガス流路24とを備える。   The fuel cell 10 is connected to an anode gas supply system 20 that supplies an anode gas (hydrogen gas) to the anode electrode. The anode gas supply system 20 includes a reformer 22 and an anode gas flow path 24 that connects the reformer 22 to an inlet (not shown) of the anode electrode of the fuel cell 10.

改質装置22は、燃料(例えば、都市ガス)の付臭剤、具体的には、メルカプタンなどの有機硫黄化合物を除去する脱硫器28と、脱硫器28を通過した燃料が流入されて水素を含有した改質ガス(即ち、アノードガス)を生成する改質器30と、脱硫器28を改質器30に接続する燃料流路32とを備える。   The reformer 22 includes a desulfurizer 28 that removes an odorant of fuel (for example, city gas), specifically, an organic sulfur compound such as mercaptan, and a fuel that has passed through the desulfurizer 28 flows into the apparatus. A reformer 30 for generating the contained reformed gas (that is, anode gas) and a fuel flow path 32 for connecting the desulfurizer 28 to the reformer 30 are provided.

燃料流路32は、図1に示す如く、第1の燃料流路32aと、それから分岐された第2の燃料流路32bとからなる。第1の燃料流路32aは、改質器30の暖気用燃料管(後述。図1で図示せず)に接続されると共に、その途中には第1の電磁バルブ34aが配置される。また、第2の燃料流路32bは、改質器30の改質用燃料管(後述。図1で図示せず)に接続されると共に、その途中には第2の電磁バルブ34bが配置される。尚、第1および第2の電磁バルブ34a,34bは、いずれもノーマル・クローズ型の電磁バルブ(非通電時に閉弁し、通電時に開弁する電磁バルブ)であり、燃料電池10の非運転時は全て閉弁されているものとする。   As shown in FIG. 1, the fuel flow path 32 is composed of a first fuel flow path 32a and a second fuel flow path 32b branched therefrom. The first fuel flow path 32a is connected to a warm-up fuel pipe (described later, not shown in FIG. 1) of the reformer 30, and a first electromagnetic valve 34a is disposed in the middle thereof. The second fuel flow path 32b is connected to a reforming fuel pipe (described later, not shown in FIG. 1) of the reformer 30, and a second electromagnetic valve 34b is disposed in the middle thereof. The Each of the first and second electromagnetic valves 34a and 34b is a normal / close type electromagnetic valve (an electromagnetic valve that closes when not energized and opens when energized), and when the fuel cell 10 is not in operation. Are all closed.

改質装置22はさらに、改質に使用される水(以下「改質用水」という)を改質器30に圧送する送水ポンプ36と、送水ポンプ36を改質器30の改質用水管(図1で図示せず)に接続する改質用水流路38と、大気(空気)の粉塵を除去するエアクリーナ40と、エアクリーナ40の下流側に配置されてエアクリーナ40を通過した空気を暖気用燃料(後述)を燃焼させるための空気(以下「暖気用空気」という)として改質器30に圧送する暖気用空気ポンプ42と、暖気用空気ポンプ42を改質器30の暖気用空気管(後述。図1で図示せず)に接続する暖気用空気流路44と、改質器30の排ガス管(後述。図1で図示せず)に接続され、燃焼によって発生した排ガスなどを大気中に排出する排ガス流路46とを備える。   The reformer 22 further includes a water feed pump 36 that pumps water used for reforming (hereinafter referred to as “water for reforming”) to the reformer 30, and the water feed pump 36 is connected to a reforming water pipe ( The reforming water flow path 38 connected to a not-shown FIG. 1, the air cleaner 40 for removing atmospheric (air) dust, and the air disposed on the downstream side of the air cleaner 40 and passing through the air cleaner 40 is used as a warming fuel. A warm-up air pump 42 that pumps air to the reformer 30 as air for burning (described later) (hereinafter, referred to as “warm-up air”), and a warm-up air pump 42 that serves as a warm-up air pipe (described later) of the reformer 30. 1 is connected to an air flow path for warming 44 connected to a not-shown in FIG. 1 and an exhaust gas pipe (described later, not shown in FIG. 1) of the reformer 30, and exhaust gas generated by combustion is introduced into the atmosphere. And an exhaust gas passage 46 for discharging.

また、燃料電池10は、燃料電池10が発生した電力を出力する出力端子50を備え、出力端子50には、その電力を制御する電力制御系52が接続される。電力制御系52は、マイクロコンピュータからなる電子制御ユニット(Electronic Control Unit。以下「ECU」という)54と、燃料電池10が発生した電力(直流電流)を所定の周波数の交流電流に変換するインバータ56とからなる。   The fuel cell 10 also includes an output terminal 50 that outputs power generated by the fuel cell 10, and a power control system 52 that controls the power is connected to the output terminal 50. The power control system 52 includes an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 54 formed of a microcomputer, and an inverter 56 that converts electric power (DC current) generated by the fuel cell 10 into AC current having a predetermined frequency. It consists of.

ECU54は、前記したカソードガスポンプ16、送水ポンプ36、暖気用空気ポンプ42、およびインバータ56などと信号線58を介して接続され、それらの動作を制御する。さらにECU54は、第1および第2の電磁バルブ34a,34bの駆動回路(図示せず)に信号線58を介して接続されると共に、第1および第2の電磁バルブ34a,34bを励磁・非励磁することで開閉弁し、その動作を制御する。また、ECU54には、燃料電池10が電力を発生させる前の動作電源としてバッテリなどの蓄電装置60が接続される。   The ECU 54 is connected to the cathode gas pump 16, the water supply pump 36, the warm air pump 42, the inverter 56, and the like through the signal line 58 and controls their operations. Further, the ECU 54 is connected to a drive circuit (not shown) of the first and second electromagnetic valves 34a and 34b via a signal line 58, and excites / non-energizes the first and second electromagnetic valves 34a and 34b. The valve opens and closes when excited, and controls its operation. The ECU 54 is connected to a power storage device 60 such as a battery as an operation power source before the fuel cell 10 generates electric power.

燃料電池10には、燃料電池10から排出されたカソードガス(以下「カソードオフガス」という)を排気する排気系62が接続される。排気系62は排気流路64からなり、その排気流路64には、図示しないマフラーなどが接続される。排気流路64の一端は燃料電池10のカソードガス排出口(図示せず)に接続される一方、他端は大気に開放される。従って、燃料電池10から排出されたカソードオフガスは、排気流路64を介して大気中に排出される。   Connected to the fuel cell 10 is an exhaust system 62 that exhausts the cathode gas discharged from the fuel cell 10 (hereinafter referred to as “cathode off-gas”). The exhaust system 62 includes an exhaust passage 64, and a muffler (not shown) or the like is connected to the exhaust passage 64. One end of the exhaust passage 64 is connected to a cathode gas discharge port (not shown) of the fuel cell 10, while the other end is opened to the atmosphere. Therefore, the cathode off gas discharged from the fuel cell 10 is discharged into the atmosphere through the exhaust passage 64.

また、燃料電池10には、燃料電池10から排出されたアノードガス(未反応ガス。以下「アノードオフガス」という)などを燃料電池10や改質装置22に還流させる還流系68が接続される。還流系68は、燃料電池10のアノードガス排出口(図示せず)を前記したアノードガス流路24に接続する第1のアノードオフガス流路70と、第1のアノードオフガス流路70の途中に接続され、第1のアノードオフガス流路70を後述する改質装置22の改質器(正確には、改質器の流入口(図1で図示せず))に接続する第2のアノードオフガス流路72とを備える。さらに、還流系68は、アノードガス流路24の途中に接続され、アノードガス流路24を改質装置22の改質器(正確には、改質器の流入口)に接続するアノードガス還流路74を備える。   The fuel cell 10 is connected to a reflux system 68 that recirculates anode gas (unreacted gas; hereinafter referred to as “anode off gas”) discharged from the fuel cell 10 to the fuel cell 10 and the reformer 22. The recirculation system 68 includes a first anode offgas passage 70 that connects an anode gas discharge port (not shown) of the fuel cell 10 to the anode gas passage 24 described above, and a middle portion of the first anode offgas passage 70. A second anode off gas that is connected and connects the first anode off gas flow path 70 to a reformer (more precisely, an inlet (not shown in FIG. 1)) of the reformer 22 described later. And a flow path 72. Further, the reflux system 68 is connected in the middle of the anode gas flow path 24, and the anode gas reflux that connects the anode gas flow path 24 to the reformer of the reformer 22 (more precisely, the inlet of the reformer). A path 74 is provided.

尚、燃料電池10には、上記したカソードガス供給系12などの構成要素の他に、燃料電池10を冷却する冷却系やカソードガスを加湿する加湿器なども接続されるが、それらは本願の要旨と直接の関係を有しないので、いずれも図示および説明を省略する。   In addition to the components such as the cathode gas supply system 12 described above, the fuel cell 10 is connected to a cooling system for cooling the fuel cell 10 and a humidifier for humidifying the cathode gas. Since there is no direct relationship with the gist, neither illustration nor description is given.

次いで、燃料電池10の動作について概説する。   Next, the operation of the fuel cell 10 will be outlined.

カソードガスポンプ16で吸引されたカソードガス(大気)は、エアクリーナ14で粉塵が除去される。粉塵が除去されたカソードガスは、燃料電池10のカソード極にカソードガス流路18を介して供給される。また、改質装置22の改質器30で生成された改質ガス(アノードガス)は、アノードガス流路24を介してアノード極に供給される。   Dust is removed from the cathode gas (atmosphere) sucked by the cathode gas pump 16 by the air cleaner 14. The cathode gas from which the dust has been removed is supplied to the cathode electrode of the fuel cell 10 via the cathode gas flow path 18. Further, the reformed gas (anode gas) generated by the reformer 30 of the reformer 22 is supplied to the anode electrode via the anode gas flow path 24.

このようにして燃料電池10のカソード極に供給されたカソードガスは、アノード極に供給されたアノードガスと電気化学反応を生じる。カソード極およびアノード極で生じる電極反応は、具体的には下記の通りである。
アノード極:H→2H+2e
カソード極:1/2O+2H+2e→H
従って、全体の反応は下記となる。
全体:H+1/2O→H
Thus, the cathode gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell 10 causes an electrochemical reaction with the anode gas supplied to the anode electrode. Specifically, the electrode reaction occurring at the cathode and anode is as follows.
Anode electrode: H 2 → 2H + + 2e
Cathode electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O
Therefore, the overall reaction is:
Overall: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

上記の反応によって燃料電池10が発生した電力(直流電流)は、出力端子50から取り出され、その一部がECU54やカソードガスポンプ16などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ56によって所定の周波数の交流電流に変換された後、電気負荷(例えば、照明器具などの交流電気機器)76に供給される。   The electric power (DC current) generated by the fuel cell 10 by the above reaction is taken out from the output terminal 50, a part of which is used as a power source for auxiliary equipment such as the ECU 54 and the cathode gas pump 16, and the remainder is the inverter 56. Is converted to an alternating current having a predetermined frequency by the electric load (for example, an alternating current electric device such as a lighting fixture) 76.

燃料電池10から排出されたカソードオフガスは、排気流路64を介して大気中に排出される。また、燃料電池10から排出されたアノードオフガス(未反応ガス)は、第1のアノードオフガス流路70を介してアノードガス流路24に還流され、再度燃料電池10に供給される。尚、アノードオフガスの内、燃料電池10に供給されなかったアノードオフガスは、第2のアノードオフガス流路72を介して改質装置22の改質器30に供給される。   The cathode off gas discharged from the fuel cell 10 is discharged into the atmosphere through the exhaust passage 64. Further, the anode off-gas (unreacted gas) discharged from the fuel cell 10 is recirculated to the anode gas channel 24 via the first anode off-gas channel 70 and is supplied to the fuel cell 10 again. Of the anode off gas, the anode off gas that has not been supplied to the fuel cell 10 is supplied to the reformer 30 of the reformer 22 via the second anode off gas flow path 72.

次いで、この発明の特徴部である改質装置22の改質器30について詳説する。   Next, the reformer 30 of the reformer 22 which is a characteristic part of the present invention will be described in detail.

図2は、改質装置22の改質器30の断面を模式的に示す模式断面図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of the reformer 30 of the reformer 22.

改質器30は外観視において略円筒状を呈するケース部80を備え、ケース部80には、改質用燃料と改質用水を改質触媒によって改質反応させる改質部82と、改質触媒を加熱するための加熱部84が収容される。   The reformer 30 includes a case portion 80 having a substantially cylindrical shape in appearance. The case portion 80 includes a reforming portion 82 for reforming and reacting reforming fuel and reforming water with a reforming catalyst, and reforming. A heating unit 84 for heating the catalyst is accommodated.

改質部82は、前記した第2の燃料流路32bに接続され、燃料が改質用燃料として供給される改質用燃料管86と、改質用水流路38に接続される改質用水管88と、複数種の触媒からなると共に、ポーラス状を呈する改質触媒90と、改質触媒90が充填される改質反応器92と、改質反応器92に接続される改質ガス管94と、改質ガス管94の途中に配置されると共に、一酸化炭素(CO)を反応によって除去する一酸化炭素除去触媒(以下「CO除去触媒」という)96が充填されたCO除去部98とからなる。   The reforming unit 82 is connected to the second fuel flow path 32b described above, and the reforming fuel pipe 86 to which the fuel is supplied as the reforming fuel, and the reforming water pipe 38 connected to the reforming water flow path 38. A water pipe 88, a reforming catalyst 90 composed of a plurality of types of catalysts and exhibiting a porous shape, a reforming reactor 92 filled with the reforming catalyst 90, and a reformed gas pipe connected to the reforming reactor 92 94 and a CO removal unit 98 that is disposed in the middle of the reformed gas pipe 94 and is filled with a carbon monoxide removal catalyst (hereinafter referred to as “CO removal catalyst”) 96 that removes carbon monoxide (CO) by reaction. It consists of.

加熱部84は、上記した第1の燃料流路32aに接続され、燃料が暖気用燃料として供給される暖気用燃料管100と、暖気用空気流路44に接続される暖気用空気管102と、改質触媒90が充填された改質反応器92の上流側に配置されて暖気用燃料を部分酸化させる部分酸化触媒104と、部分酸化触媒104が充填される部分酸化反応器106と、改質触媒90の付近に配置され、改質触媒90の温度に応じた信号をECU54へ出力する改質触媒温度センサ108と、CO除去触媒96の付近に配置され、CO除去触媒96の温度に応じた信号をECU54へ出力するCO除去触媒温度センサ110とを備える。尚、部分酸化触媒104は、例えば白金パラジウムアルミナ(Pt−Pd/Al)を使用する。 The heating unit 84 is connected to the first fuel flow path 32 a described above, and the warm-up fuel pipe 100 to which fuel is supplied as the warm-up fuel, and the warm-up air pipe 102 connected to the warm-up air flow path 44. A partial oxidation catalyst 104 disposed upstream of the reforming reactor 92 filled with the reforming catalyst 90 to partially oxidize the warm-up fuel, a partial oxidation reactor 106 filled with the partial oxidation catalyst 104, The reforming catalyst temperature sensor 108 is disposed near the carbon catalyst 90 and outputs a signal corresponding to the temperature of the reforming catalyst 90 to the ECU 54. The reforming catalyst temperature sensor 108 is disposed near the CO removal catalyst 96. And a CO removal catalyst temperature sensor 110 for outputting the obtained signal to the ECU 54. For example, platinum palladium alumina (Pt—Pd / Al 2 O 3 ) is used as the partial oxidation catalyst 104.

改質触媒温度センサ108は、図に示すように、改質触媒90の上流側(換言すれば、改質反応器92の上部付近)に配置される第1の改質触媒温度センサ108aと、下流側(改質反応器92の下部付近)に配置される第2の改質触媒温度センサ108bからなる。また、CO除去触媒温度センサ110は、CO除去触媒96の上流側(別言すれば、CO除去部98の下部付近)に配置される第1のCO除去触媒温度センサ110aと、その下流側、正確にはCO除去部98の略中央部付近に配置される第2のCO除去触媒温度センサ110bとからなる。尚、この明細書において、上部、下部、あるいは上端や下端などの上下関係を示す記載は、全て重力方向における上下関係を表すものとする。   As shown in the drawing, the reforming catalyst temperature sensor 108 includes a first reforming catalyst temperature sensor 108a disposed upstream of the reforming catalyst 90 (in other words, near the upper portion of the reforming reactor 92), The second reforming catalyst temperature sensor 108b is disposed downstream (near the lower portion of the reforming reactor 92). The CO removal catalyst temperature sensor 110 includes a first CO removal catalyst temperature sensor 110a disposed on the upstream side of the CO removal catalyst 96 (in other words, near the lower portion of the CO removal unit 98), a downstream side thereof, More precisely, it includes a second CO removal catalyst temperature sensor 110b disposed in the vicinity of the substantially central portion of the CO removal unit 98. Note that in this specification, the descriptions indicating the upper and lower relationships such as the upper portion, the lower portion, the upper end and the lower end all represent the upper and lower relationships in the direction of gravity.

加熱部84はさらに、ケース部80の上端80aの近傍に配置されると共に、後述する燃焼触媒を有する触媒燃焼器112と、触媒燃焼器112に接続される燃焼室114と、燃焼室114に接続され、燃焼室114での燃焼によって発生した排ガスなどを排出する排ガス管116とを備える。   The heating unit 84 is further disposed in the vicinity of the upper end 80a of the case unit 80, and further includes a catalytic combustor 112 having a combustion catalyst described later, a combustion chamber 114 connected to the catalytic combustor 112, and a connection to the combustion chamber 114. And an exhaust gas pipe 116 that exhausts exhaust gas generated by combustion in the combustion chamber 114.

図2に示すように、燃焼室114は触媒燃焼器112の下方の位置に配置される。燃焼室114は、その上部114aがケース部80の上端80aから突出する一方、下部114bがケース部80の下端80b付近となるようにして配置される。燃焼室114は、下部114bにおいて排ガス管116と連通されると共に、排ガス管116は、燃焼室114の外壁114cに沿うようにして上方に延設された後、ケース部80の上端80a付近で屈曲し、その後前記した排ガス流路46に接続される。   As shown in FIG. 2, the combustion chamber 114 is disposed at a position below the catalytic combustor 112. The combustion chamber 114 is disposed such that the upper portion 114 a protrudes from the upper end 80 a of the case portion 80 and the lower portion 114 b is near the lower end 80 b of the case portion 80. The combustion chamber 114 communicates with the exhaust gas pipe 116 at the lower portion 114b. The exhaust gas pipe 116 extends upward along the outer wall 114c of the combustion chamber 114, and then bends in the vicinity of the upper end 80a of the case portion 80. Then, it is connected to the exhaust gas flow path 46 described above.

改質部82の改質用水管88は、燃焼室114と排ガス管116などを取り囲むようにして配置されたリング状のCO除去部98の外周98aを、複数回周回するようにして配置され、その後排ガス管116の内部116aに配置される。排ガス管116の内部116aに配置された改質用水管88は、燃焼室114の外壁114cに接触させられつつ、その周りを複数回周回するようにして配置される。   The reforming water pipe 88 of the reforming section 82 is disposed so as to circulate a plurality of times around the outer periphery 98a of the ring-shaped CO removing section 98 disposed so as to surround the combustion chamber 114, the exhaust gas pipe 116, and the like. Thereafter, it is disposed in the interior 116 a of the exhaust gas pipe 116. The reforming water pipe 88 arranged in the interior 116a of the exhaust gas pipe 116 is arranged so as to circulate a plurality of times around the circumference while contacting the outer wall 114c of the combustion chamber 114.

次いで、改質用水管88には、改質用燃料管86が接続部118を介して接続される。以下、改質用水管88の改質用水の流れにおいて接続部118より下流側の改質用水管88を「改質用燃料・水管」と呼び、符号120で示す。改質用燃料・水管120はさらに、燃焼室114の外壁114cを複数回周回するように配置された後、改質反応器92に接続される。   Next, a reforming fuel pipe 86 is connected to the reforming water pipe 88 via a connection portion 118. Hereinafter, the reforming water pipe 88 on the downstream side of the connection portion 118 in the reforming water flow of the reforming water pipe 88 is referred to as a “reforming fuel / water pipe” and denoted by reference numeral 120. The reforming fuel / water pipe 120 is further arranged around the outer wall 114 c of the combustion chamber 114 a plurality of times, and then connected to the reforming reactor 92.

改質反応器92の外壁92aは、燃焼室114の外壁114cに沿って配置された排ガス管116に接触させられつつ、下方に向けて延設される。また改質反応器92は、下端92bにおいて改質ガス管94と連通される。   The outer wall 92 a of the reforming reactor 92 extends downward while being in contact with the exhaust gas pipe 116 disposed along the outer wall 114 c of the combustion chamber 114. The reforming reactor 92 communicates with the reformed gas pipe 94 at the lower end 92b.

改質ガス管94は、改質反応器92の外壁92aに沿うようにして上方に延設された後、ケース部80の上端80a付近で屈曲し、その後前記したアノードガス流路24に接続される。また、改質ガス管94の途中には、改質反応器92で生成された改質ガスに残存するCOを除去するCO除去部98が配置される。尚、改質器30のケース部80の内部において、上記した燃焼室114や改質反応器92などの各構成要素以外の空間には、断熱材122が配置(充填)される。即ち、燃焼室114や改質反応器92などは、断熱材122によって被覆される。   The reformed gas pipe 94 extends upward along the outer wall 92a of the reforming reactor 92, then bends near the upper end 80a of the case portion 80, and is then connected to the anode gas flow path 24 described above. The Further, a CO removal unit 98 for removing CO remaining in the reformed gas generated in the reforming reactor 92 is disposed in the middle of the reformed gas pipe 94. In the interior of the case portion 80 of the reformer 30, a heat insulating material 122 is disposed (filled) in a space other than each component such as the combustion chamber 114 and the reforming reactor 92 described above. That is, the combustion chamber 114 and the reforming reactor 92 are covered with the heat insulating material 122.

また、図2に示す如く、加熱部84の暖気用燃料管100の途中には、エゼクタ126が配置され、そのエゼクタ126には暖気用空気管102が接続される。これにより、暖気用燃料管100を流動する暖気用燃料と暖気用空気管102を流動する暖気用空気は、エゼクタ126で混合される。   Further, as shown in FIG. 2, an ejector 126 is disposed in the middle of the warm air fuel pipe 100 of the heating unit 84, and the warm air air pipe 102 is connected to the ejector 126. As a result, the warm-up fuel flowing through the warm-up fuel pipe 100 and the warm-up air flowing through the warm-up air pipe 102 are mixed by the ejector 126.

暖気用燃料管100であって、暖気用燃料の流れにおいてエゼクタ126の下流側には、部分酸化反応器106が接続される。部分酸化反応器106は、前述した如く、改質反応器92の上流側に配置されると共に、部分酸化反応器106と改質反応器92の間には、拡散リング128が介挿される。拡散リング128は円管128aからなり、その円管128aには複数個の孔128bが穿設される。即ち、部分酸化反応器106と改質反応器92は、拡散リング128の孔128bを介して連通される。   A partial oxidation reactor 106 is connected to the downstream side of the ejector 126 in the warm-up fuel pipe 100 in the warm-up fuel flow. As described above, the partial oxidation reactor 106 is disposed on the upstream side of the reforming reactor 92, and a diffusion ring 128 is interposed between the partial oxidation reactor 106 and the reforming reactor 92. The diffusion ring 128 includes a circular tube 128a, and a plurality of holes 128b are formed in the circular tube 128a. That is, the partial oxidation reactor 106 and the reforming reactor 92 are communicated with each other through the hole 128 b of the diffusion ring 128.

触媒燃焼器112は、燃焼バーナ130と、燃焼バーナ130の上部に形成されると共に、前記した第2のアノードオフガス流路72およびアノードガス還流路74が接続され、アノードオフガスなどが流入する流入口132と、燃焼バーナ130の下流側に配置されて燃焼バーナ130で燃焼させられた混合ガス(後述)などを反応によって燃焼させる燃焼触媒134とを備える。燃焼触媒134は、略円筒状を呈し、燃焼室114の上部114a付近に配置される。尚、燃焼触媒134は、例えば白金(Pt)系のものを使用する。   The catalytic combustor 112 is formed on the combustion burner 130 and the upper portion of the combustion burner 130, and the above-described second anode off-gas flow path 72 and anode gas recirculation path 74 are connected so that an anode off-gas etc. flows in. 132, and a combustion catalyst 134 that is disposed downstream of the combustion burner 130 and combusts by reaction a mixed gas (to be described later) burned by the combustion burner 130. The combustion catalyst 134 has a substantially cylindrical shape and is disposed near the upper portion 114 a of the combustion chamber 114. For example, a platinum (Pt) -based catalyst is used as the combustion catalyst 134.

さらに、触媒燃焼器112であって、燃焼バーナ130と燃焼触媒134の間には、排ガス処理触媒136が配置される。排ガス処理触媒136は、燃焼バーナ130での燃焼によって発生した排ガスに含まれる有害物質などを反応によって処理する触媒からなる。   Further, in the catalytic combustor 112, an exhaust gas treatment catalyst 136 is disposed between the combustion burner 130 and the combustion catalyst 134. The exhaust gas treatment catalyst 136 is a catalyst that treats harmful substances contained in the exhaust gas generated by the combustion in the combustion burner 130 by reaction.

次いで、上記の如く構成された改質装置22を前提に、燃料電池10の始動時にECU54で実行される、改質装置22の暖気および改質の動作の制御について、図3を参照して説明する。   Next, on the premise of the reforming device 22 configured as described above, control of warming-up and reforming operations of the reforming device 22 executed by the ECU 54 when the fuel cell 10 is started will be described with reference to FIG. To do.

図3は、その処理を表すフローチャートである。   FIG. 3 is a flowchart showing the processing.

先ずS10において、燃料電池10の始動指示がなされたか否か、具体的には、オペレータによって始動スイッチ(図示せず)がオンされたか否か判断する。S10で否定されるときは以降の処理をスキップする一方、S10で肯定されるときはS12に進み、第1の燃料流路32aに配置された第1の電磁バルブ34aを励磁して開弁する。   First, in S10, it is determined whether or not a start instruction for the fuel cell 10 has been made, specifically, whether or not a start switch (not shown) has been turned on by the operator. When the result in S10 is negative, the subsequent processing is skipped, while when the result in S10 is positive, the process proceeds to S12 to excite and open the first electromagnetic valve 34a disposed in the first fuel flow path 32a. .

第1の電磁バルブ34aが開弁されると、都市ガス供給源(図示せず)から供給される都市ガスは、図1に示した脱硫器28で付臭剤などの有機硫黄化合物が除去される。これにより、都市ガスの流れにおいて下流側に配置される改質触媒90などが、硫黄によって被毒するのを防ぐことができる。次いで、有機硫黄化合物が除去された都市ガス(燃料)は、第1の燃料流路32aを介して改質器30の暖気用燃料管100に暖気用燃料として供給される。   When the first electromagnetic valve 34a is opened, the city gas supplied from a city gas supply source (not shown) is freed of organic sulfur compounds such as odorants by the desulfurizer 28 shown in FIG. The Thereby, it is possible to prevent the reforming catalyst 90 and the like disposed downstream in the city gas flow from being poisoned by sulfur. Next, the city gas (fuel) from which the organic sulfur compound has been removed is supplied as a warm-up fuel to the warm-up fuel pipe 100 of the reformer 30 via the first fuel flow path 32a.

暖気用燃料管100に供給された暖気用燃料は、図2に矢印で示すように、エゼクタ126、部分酸化反応器106、拡散リング128、改質反応器92、改質ガス管94、CO除去部98を介してアノードガス流路24に流入する。アノードガス流路24に流入した暖気用燃料は、アノードガス還流路74を介して触媒燃焼器112の燃焼バーナ130の流入口132に供給される。暖気用燃料は燃焼バーナ130で燃焼させられ、よって排ガスが発生する。排ガスは排ガス処理触媒136に供給され、排ガスに含まれる有害物質が反応によって処理される。   As shown by arrows in FIG. 2, the warm-up fuel supplied to the warm-up fuel pipe 100 is ejected by an ejector 126, a partial oxidation reactor 106, a diffusion ring 128, a reforming reactor 92, a reformed gas pipe 94, and CO removal. It flows into the anode gas flow path 24 through the portion 98. The warm-up fuel flowing into the anode gas passage 24 is supplied to the inlet 132 of the combustion burner 130 of the catalytic combustor 112 via the anode gas recirculation passage 74. The warm-up fuel is burned by the combustion burner 130, and thus exhaust gas is generated. The exhaust gas is supplied to the exhaust gas treatment catalyst 136, and harmful substances contained in the exhaust gas are processed by reaction.

有害物質が処理された排ガスは、燃焼触媒134に向けて流動して燃焼触媒134を昇温させつつ、燃焼室114の内部を通過して排ガス管116に流入される。排ガスは、排ガス管116の内部116aや壁面も昇温させつつ図2において上方へ流動する。このとき、改質反応器92やCO除去部98は、前記したように、その外壁92aや内周98bが排ガス管116に接触するようにして配置されるため、排ガス管116の熱が伝達されて加熱され、よって改質反応器92の内部に充填された改質触媒90やCO除去部98のCO除去触媒96も加熱されて昇温させられる。尚、排ガス管116の排ガスはその後、排ガス流路46へ流動して大気中に排出される。   The exhaust gas treated with harmful substances flows toward the combustion catalyst 134 and passes through the combustion chamber 114 and flows into the exhaust gas pipe 116 while raising the temperature of the combustion catalyst 134. The exhaust gas flows upward in FIG. 2 while raising the temperature of the interior 116 a and the wall surface of the exhaust gas pipe 116. At this time, as described above, the reforming reactor 92 and the CO removing unit 98 are arranged so that the outer wall 92a and the inner periphery 98b thereof are in contact with the exhaust gas pipe 116, so that the heat of the exhaust gas pipe 116 is transmitted. Thus, the reforming catalyst 90 filled in the reforming reactor 92 and the CO removal catalyst 96 of the CO removal unit 98 are also heated and raised in temperature. The exhaust gas in the exhaust gas pipe 116 then flows to the exhaust gas flow path 46 and is discharged into the atmosphere.

図3の説明に戻ると、次いでS14に進み、第1および第2の改質触媒温度センサ108a,108bと、第1および第2のCO除去触媒温度センサ110a,110bの出力を読み込み、改質触媒90の上流側、下流側とCO除去触媒96の上流側、下流側の温度を検出する。次いでS16に進み、検出された改質触媒90とCO除去触媒96の温度が全て所定値(具体的には、約400[℃])を超えたか否か判断する。S16で否定されるときは、S14,S16の処理を再度実行する一方、S16で肯定されるときはS18に進み、暖気用空気ポンプ42を駆動させる。   Returning to the description of FIG. 3, the process then proceeds to S14, where the outputs of the first and second reforming catalyst temperature sensors 108a and 108b and the first and second CO removal catalyst temperature sensors 110a and 110b are read and reformed. Temperatures upstream and downstream of the catalyst 90 and upstream and downstream of the CO removal catalyst 96 are detected. Next, in S16, it is determined whether or not the detected temperatures of the reforming catalyst 90 and the CO removal catalyst 96 have all exceeded a predetermined value (specifically, about 400 [° C.]). When the result in S16 is negative, the processes of S14 and S16 are executed again, while when the result in S16 is positive, the process proceeds to S18 to drive the warm-up air pump 42.

暖気用空気ポンプ42が駆動されると、大気(空気)は、暖気用空気ポンプ42によって吸引されてエアクリーナ40に流入し、そこで粉塵が除去される。粉塵が除去された空気、即ち、暖気用空気は、暖気用空気流路44を介して暖気用空気管102に供給される。   When the warm air pump 42 is driven, the atmosphere (air) is sucked by the warm air pump 42 and flows into the air cleaner 40 where dust is removed. The air from which the dust has been removed, that is, the warm air, is supplied to the warm air tube 102 via the warm air channel 44.

暖気用空気管102に供給された暖気用空気は、図2に示すエゼクタ126によって暖気用燃料管100を流動する暖気用燃料と混合される。混合された暖気用燃料と暖気用空気は、部分酸化反応器106に供給され、部分酸化触媒104によって反応が生じ、混合ガス(ガス)が生成される(発生する)。その反応は、具体的には下記の通りである。
CH+1/2O→CO+2H
The warm air supplied to the warm air tube 102 is mixed with warm fuel flowing through the warm fuel tube 100 by the ejector 126 shown in FIG. The mixed warming fuel and warming air are supplied to the partial oxidation reactor 106, and the partial oxidation catalyst 104 causes a reaction to generate (generate) a mixed gas (gas). The reaction is specifically as follows.
CH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2

上記した部分酸化反応は発熱反応であるため、発生した混合ガスは比較的高温となる。高温の混合ガスは、拡散リング128の孔128bを通過することで拡散させられつつ改質触媒90に直接供給される。混合ガスは、ポーラス状を呈した改質触媒90の中を通過して改質触媒90をさらに昇温させた後、改質ガス管94を通過してCO除去部98に流入し、CO除去触媒96も昇温させる。尚、この混合ガスは一酸化炭素と、水素と、暖気用空気に含まれる窒素とからなる還元性ガスであるため、改質触媒90およびCO除去触媒96を酸化させることがない。   Since the partial oxidation reaction described above is an exothermic reaction, the generated mixed gas has a relatively high temperature. The high-temperature mixed gas is directly supplied to the reforming catalyst 90 while being diffused by passing through the holes 128 b of the diffusion ring 128. The mixed gas passes through the porous reforming catalyst 90 to further raise the temperature of the reforming catalyst 90, and then passes through the reforming gas pipe 94 and flows into the CO removing section 98, where CO is removed. The temperature of the catalyst 96 is also raised. This mixed gas is a reducing gas composed of carbon monoxide, hydrogen, and nitrogen contained in the warm air, so that the reforming catalyst 90 and the CO removal catalyst 96 are not oxidized.

次いで、混合ガスは改質ガス管94からアノードガス流路24に流入した後、アノードガス還流路74を介して触媒燃焼器112の燃焼バーナ130の流入口132に供給される。混合ガスは燃焼バーナ130で燃焼させられた後、排ガス処理触媒136に供給され、混合ガスに含まれる有害物質が反応によって処理される。   Next, the mixed gas flows into the anode gas passage 24 from the reformed gas pipe 94 and is then supplied to the inlet 132 of the combustion burner 130 of the catalytic combustor 112 via the anode gas recirculation passage 74. The mixed gas is burned by the combustion burner 130 and then supplied to the exhaust gas treatment catalyst 136, where harmful substances contained in the mixed gas are processed by reaction.

有害物質が処理された混合ガスは、燃焼触媒134に向けて流動する。この燃焼触媒134は、前述した排ガスによって燃焼反応が開始可能な温度まで昇温させられているため、混合ガスは燃焼触媒134と接触酸化して燃焼させられる。その後、混合ガスは燃焼室114、排ガス管116を昇温させつつ流動し、排ガス流路46を介して大気中に排出される。   The mixed gas that has been treated with harmful substances flows toward the combustion catalyst 134. Since the combustion catalyst 134 is heated to a temperature at which the combustion reaction can be started by the exhaust gas described above, the mixed gas is brought into contact with the combustion catalyst 134 and burned. Thereafter, the mixed gas flows while raising the temperature of the combustion chamber 114 and the exhaust gas pipe 116, and is discharged to the atmosphere via the exhaust gas flow path 46.

図3の説明に戻ると、次いでS20に進み、第1および第2の改質触媒温度センサ108a,108bと、第1および第2のCO除去触媒温度センサ110a,110bの出力を再度読み込み、改質触媒90の上流側、下流側とCO除去触媒96の上流側、下流側の温度を検出する。次いでS22に進み、検出された改質触媒90とCO除去触媒96の温度が全て所定値(具体的には、約700[℃])を超えたか否か、別言すれば、改質触媒90において改質反応が開始可能な温度になると共に、CO除去触媒96において一酸化炭素除去反応が開始可能な温度になったか否か判断する。   Returning to the description of FIG. 3, the process then proceeds to S20, in which the outputs of the first and second reforming catalyst temperature sensors 108a and 108b and the first and second CO removal catalyst temperature sensors 110a and 110b are read again and revised. Temperatures on the upstream side and downstream side of the catalyst 90 and on the upstream side and downstream side of the CO removal catalyst 96 are detected. Next, in S22, whether or not the detected temperatures of the reforming catalyst 90 and the CO removal catalyst 96 have all exceeded a predetermined value (specifically, about 700 [° C.]), in other words, the reforming catalyst 90. It is determined whether or not the temperature at which the reforming reaction can start is reached and the temperature at which the carbon removal catalyst 96 can start the carbon monoxide removal reaction is reached.

S22で否定されるときは、S20およびS22の処理を再度実行する。S22で肯定されるときはS24に進み、第1の電磁バルブ34aを非励磁にして閉弁する一方、第2の燃料流路32bに配置された第2の電磁バルブ34bを励磁して開弁する。   When the result in S22 is negative, the processes of S20 and S22 are executed again. When the result in S22 is affirmative, the program proceeds to S24, in which the first electromagnetic valve 34a is de-energized and closed, while the second electromagnetic valve 34b disposed in the second fuel flow path 32b is excited to open. To do.

これにより、燃料は、暖気用燃料管100に供給されなくなると共に、第2の燃料流路32bを介して改質器30の改質用燃料管86に改質用燃料として供給される。次いで、S26に進み、暖気用空気ポンプ42の駆動を停止させ、暖気用空気の暖気用空気管102への供給も停止する。   As a result, the fuel is not supplied to the warm-up fuel pipe 100 and is supplied as the reforming fuel to the reforming fuel pipe 86 of the reformer 30 via the second fuel flow path 32b. Next, in S26, the drive of the warm air pump 42 is stopped, and the supply of the warm air to the warm air tube 102 is also stopped.

このように、改質触媒90が所定温度に達して改質反応可能な状態になったとき、部分酸化触媒104の部分酸化によって発生した混合ガスの改質触媒90への供給を停止するようにした。尚、この明細書において、上記したような、改質装置22を改質可能な状態にする暖気動作(暖気運転)が行われるときを「改質装置の始動時」といい、後述するような、改質装置22において改質動作が行われるときを「改質装置の通常運転時」という。   As described above, when the reforming catalyst 90 reaches a predetermined temperature and is in a state capable of the reforming reaction, the supply of the mixed gas generated by the partial oxidation of the partial oxidation catalyst 104 to the reforming catalyst 90 is stopped. did. In this specification, the time when the warming-up operation (warming-up operation) for bringing the reforming device 22 into a reformable state as described above is performed is referred to as “when the reforming device is started”, and will be described later. The time when the reforming operation is performed in the reformer 22 is referred to as “during normal operation of the reformer”.

S24およびS26の処理によって改質装置22の暖気動作が終了すると、次いでS28に進み、送水ポンプ36を駆動させる。送水ポンプ36が駆動されると、改質装置22において改質動作が開始される。具体的には、送水ポンプ36で吸引された水供給源(図示せず)の改質用水が、図示しないイオンフィルタなどを通過した後、改質用水流路38を介して改質用水管88に流入される。   When the warming-up operation of the reformer 22 is completed by the processes of S24 and S26, the process proceeds to S28 and the water pump 36 is driven. When the water feed pump 36 is driven, a reforming operation is started in the reformer 22. Specifically, the reforming water from the water supply source (not shown) sucked by the water pump 36 passes through an ion filter (not shown) and the like, and then the reforming water pipe 88 through the reforming water flow path 38. Is flowed into.

改質用水管88は、比較的高温となっているCO除去部98の外周98aを周回するように配置されると共に、排ガスや混合ガスによって昇温された排ガス管116の内部116aに配置されているため、それらによって加熱されることとなる。これにより、改質用水管88に流入された改質用水は蒸発して水蒸気となり、その水蒸気は、接続部118において、第2の燃料流路32bを介して改質用燃料管86に流入された改質用燃料と合流して混合される。   The reforming water pipe 88 is arranged so as to circulate around the outer periphery 98a of the CO removal section 98 that is relatively high in temperature, and is arranged in the interior 116a of the exhaust gas pipe 116 that has been heated by the exhaust gas or mixed gas. Therefore, it will be heated by them. As a result, the reforming water that has flowed into the reforming water pipe 88 evaporates into steam, and the steam flows into the reforming fuel pipe 86 at the connection portion 118 via the second fuel flow path 32b. It is mixed and mixed with the reforming fuel.

混合された改質用燃料と水蒸気は、改質用燃料・水管120を通過した後、改質反応器92に流入される。改質反応器92の改質触媒90は、前述したように改質可能な温度(約700[℃])まで昇温させられているため、水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質用燃料と水蒸気から水素を含有する改質ガスが生成される。   The reformed fuel and water vapor that have been mixed pass through the reforming fuel / water pipe 120 and then flow into the reforming reactor 92. As described above, the reforming catalyst 90 of the reforming reactor 92 is heated to a reformable temperature (about 700 [° C.]), so that a steam reforming reaction occurs, that is, the mixed reforming is performed. A reformed gas containing hydrogen is generated from the quality fuel and water vapor.

この水蒸気改質反応は、具体的には下記の通りである。
CH+HO→CO+3H
このとき生成される一酸化炭素の一部は、さらに水蒸気と反応して水素と二酸化炭素が生成される(即ち、シフト反応が起こる)。具体的には下記の通りである。
CO+HO→CO+H
The steam reforming reaction is specifically as follows.
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2
Part of the carbon monoxide produced at this time further reacts with water vapor to produce hydrogen and carbon dioxide (that is, a shift reaction occurs). Specifically, it is as follows.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

次いで、改質ガスは改質反応器92から改質ガス管94へ流入された後、CO除去部98に供給される。ここで、改質ガスは、CO除去触媒96が一酸化炭素除去可能な温度(約700[℃])まで昇温させられているため、残存するCOが反応によって除去され、その後アノードガス流路24に流入される。   Next, the reformed gas is supplied from the reforming reactor 92 to the reformed gas pipe 94 and then supplied to the CO removing unit 98. Here, since the reformed gas is heated to a temperature at which the CO removal catalyst 96 can remove carbon monoxide (about 700 [° C.]), the remaining CO is removed by the reaction, and then the anode gas flow path 24.

このように、燃料電池10の始動時におけるECU54は、改質装置22の暖気動作および改質動作を制御することで、改質器30において改質用燃料と水蒸気を改質触媒90で反応させて改質ガス(アノードガス)を生成させる。   As described above, the ECU 54 at the time of starting the fuel cell 10 controls the warming operation and the reforming operation of the reforming device 22 so that the reforming fuel and the steam react with the reforming catalyst 90 in the reformer 30. Thus, a reformed gas (anode gas) is generated.

また、ECU54は、上記した改質装置22の暖気動作および改質動作の制御が終了すると、次いでカソードガスポンプ16を駆動させて前述した燃料電池10の動作の制御を開始する。   Further, when the control of the warming-up operation and the reforming operation of the reformer 22 is completed, the ECU 54 then drives the cathode gas pump 16 to start the operation control of the fuel cell 10 described above.

尚、改質触媒90での水蒸気反応は吸熱反応であるため、改質触媒90を連続的に加熱する必要がある。そこで、改質装置22が通常運転になり、改質ガスが生成されると、触媒燃焼器112の燃焼バーナ130の流入口132には、その改質ガス(より具体的には、改質装置22から排出され、アノードガス還流路74を介して流入されるアノードガス、および第2のアノードオフガス流路72を介して流入されるアノードオフガス)が流入される。これにより、改質ガスは燃焼バーナ130で燃焼させられた後、排ガス処理触媒136に供給されて改質ガスに含まれた有害物質が処理される。次いで改質ガスは、燃焼触媒134に供給されてさらに燃焼させられた後、排ガス管116を流動することで改質触媒90を連続的に加熱し続ける。   In addition, since the steam reaction in the reforming catalyst 90 is an endothermic reaction, it is necessary to heat the reforming catalyst 90 continuously. Therefore, when the reformer 22 is in a normal operation and reformed gas is generated, the reformed gas (more specifically, the reformer is introduced into the inlet 132 of the combustion burner 130 of the catalytic combustor 112. 22, and the anode gas that flows in through the anode gas recirculation path 74 and the anode offgas that flows in through the second anode offgas flow path 72). As a result, the reformed gas is burned by the combustion burner 130 and then supplied to the exhaust gas treatment catalyst 136 to treat harmful substances contained in the reformed gas. Next, after the reformed gas is supplied to the combustion catalyst 134 and further burned, the reformed catalyst 90 continues to be heated by flowing through the exhaust pipe 116.

このように、この発明に係る燃料電池の改質装置22にあっては、改質用燃料と水蒸気を反応させて水素を含有した改質ガスを生成する改質触媒90の上流側に配置され、燃料を部分酸化させる部分酸化触媒104を備えると共に、始動時に、部分酸化によって発生した混合ガスを改質触媒90に供給する、即ち、従来技術の如く、燃焼バーナの排ガスで改質触媒の外側から加熱するだけではなく、発熱反応である部分酸化によって発生する比較的高温の混合ガスを、改質触媒90に直接供給してポーラス状の改質触媒90の中を通過させることで加熱するように構成したので、ヒータなどを用いない簡易な構成でありながら、改質触媒90を所定値、正確には、改質反応が開始可能な温度(具体的には、約700[℃])まで速やかに昇温させることができ、よって改質装置22の始動性を向上させることができる。さらに、改質触媒90やCO除去触媒96は酸化雰囲気に晒されると酸化してしまうが、部分酸化によって発生する混合ガスは還元性ガスであるため、酸化することがない。   Thus, the fuel cell reforming apparatus 22 according to the present invention is disposed upstream of the reforming catalyst 90 that generates reformed gas containing hydrogen by reacting reforming fuel and steam. And a partial oxidation catalyst 104 that partially oxidizes the fuel, and at the time of start-up, a mixed gas generated by partial oxidation is supplied to the reforming catalyst 90. In addition to heating from the above, a relatively high-temperature mixed gas generated by partial oxidation, which is an exothermic reaction, is directly supplied to the reforming catalyst 90 and heated by passing through the porous reforming catalyst 90 Therefore, the reforming catalyst 90 is set to a predetermined value, more precisely, to a temperature at which the reforming reaction can be started (specifically, about 700 [° C.]). Rapid temperature rise So that it is, therefore it is possible to improve the startability of the reformer 22. Furthermore, although the reforming catalyst 90 and the CO removal catalyst 96 are oxidized when exposed to an oxidizing atmosphere, the mixed gas generated by the partial oxidation is a reducing gas and is not oxidized.

また、改質触媒90の温度に応じた信号を出力する改質触媒温度センサ108(第1および第2の改質触媒温度センサ108a,108b)を備え、改質触媒90の温度が所定値(正確には、改質反応が開始される値(約700[℃]))を超えたとき、部分酸化によって発生した混合ガスの供給を停止する、即ち、改質触媒90を昇温させるときに前記した混合ガスを供給する一方、改質触媒90が昇温して改質反応が開始されるとき、混合ガスの供給を停止するように構成したので、改質触媒90における改質反応に影響を与えることなく、改質触媒90を昇温させることができる。   Further, a reforming catalyst temperature sensor 108 (first and second reforming catalyst temperature sensors 108a and 108b) that outputs a signal corresponding to the temperature of the reforming catalyst 90 is provided, and the temperature of the reforming catalyst 90 is a predetermined value ( Exactly, when the value at which the reforming reaction is started (about 700 [° C.]) is exceeded, the supply of the mixed gas generated by the partial oxidation is stopped, that is, when the temperature of the reforming catalyst 90 is raised. While the above-described mixed gas is supplied, the supply of the mixed gas is stopped when the reforming catalyst 90 is heated and the reforming reaction is started, so that the reforming reaction in the reforming catalyst 90 is affected. The temperature of the reforming catalyst 90 can be raised without giving any.

また、部分酸化によって発生した混合ガスは、改質触媒90やCO除去触媒96を昇温させた後、触媒燃焼器112の燃焼バーナ130および燃焼触媒134で燃焼され、燃焼室114、排ガス管116に流入してそれらを昇温させるように構成したので、改質触媒90やCO除去触媒96は、さらに昇温させられることとなり、よって燃料を効率よく使用することができる。   Further, the mixed gas generated by partial oxidation is heated by the reforming catalyst 90 and the CO removal catalyst 96 and then burned by the combustion burner 130 and the combustion catalyst 134 of the catalytic combustor 112, and the combustion chamber 114 and the exhaust gas pipe 116. Therefore, the temperature of the reforming catalyst 90 and the CO removal catalyst 96 can be further increased, so that the fuel can be used efficiently.

以上のように、この発明の第1実施例にあっては、燃料と水蒸気を改質触媒(90)で反応させて水素を含有した改質ガスを生成し、前記生成された改質ガスを燃料電池(10)の燃料極(アノード極)に供給するようにした燃料電池の改質装置(22)において、前記改質触媒の上流側に配置されて前記燃料を部分酸化させる部分酸化触媒(104)と、前記改質触媒を加熱する燃焼器(112)と、前記改質触媒に近接して配置されて前記燃焼器から流入される排ガスを排出する排ガス管(116)とを備えると共に、始動時に、前記部分酸化によって発生したガス(混合ガス)を前記改質触媒に供給した後、前記燃焼器に還流させて前記燃焼器で燃焼させると共に、前記燃焼によって発生した排ガスを前記排ガス管に流入させるように構成した。 As described above, in the first embodiment of the present invention, a reformed gas containing hydrogen is generated by reacting fuel and steam with the reforming catalyst (90), and the generated reformed gas is In the reformer (22) for a fuel cell that is supplied to the fuel electrode (anode electrode) of the fuel cell (10), a partial oxidation catalyst (22) that is disposed upstream of the reforming catalyst and partially oxidizes the fuel. 104) , a combustor (112) that heats the reforming catalyst, and an exhaust gas pipe (116) that is disposed in the vicinity of the reforming catalyst and exhausts exhaust gas flowing from the combustor , At start-up, after the gas (mixed gas) generated by the partial oxidation is supplied to the reforming catalyst, the gas is recirculated to the combustor and burned in the combustor, and the exhaust gas generated by the combustion is supplied to the exhaust pipe. so as to flow into Form was.

また、さらに、前記改質触媒(90)の温度を検出する温度検出手段(ECU54。第1および第2の改質触媒温度センサ108a,108b。図3フローチャートのS20)と、前記検出された改質触媒の温度が所定値(約700[℃])を超えたとき、前記部分酸化によって発生したガスの供給を停止する停止手段(ECU54。第1の電磁バルブ34a。図3フローチャートのS22,S24,S26)とを備えるように構成した。   Further, temperature detecting means (ECU 54. First and second reforming catalyst temperature sensors 108a and 108b; S20 in the flowchart of FIG. 3) for detecting the temperature of the reforming catalyst (90) and the detected reforming. Stop means (ECU 54. First electromagnetic valve 34a; S22, S24 in the flowchart of FIG. 3) for stopping supply of the gas generated by the partial oxidation when the temperature of the catalyst exceeds a predetermined value (about 700 [° C.]). , S26).

尚、上記において、部分酸化触媒104の材質や改質触媒90の改質可能な温度などを具体的に示したが、それら材質や数値は例示であって限定されるものではない。   In the above description, the material of the partial oxidation catalyst 104 and the temperature at which the reforming catalyst 90 can be reformed are specifically shown. However, these materials and numerical values are illustrative and are not limited.

また、燃料電池10を固体高分子型としたが、それに限られるものではなく、他の形式であってもよい。   Further, although the fuel cell 10 is a solid polymer type, the present invention is not limited thereto, and other types may be used.

また、改質用燃料として都市ガスを使用するよう構成したが、LPガス、灯油、メタノール、ナフサ、バイオマス、ガソリンなどであってもよい。   In addition, although city gas is used as the reforming fuel, LP gas, kerosene, methanol, naphtha, biomass, gasoline, and the like may be used.

この発明の第1実施例に係る燃料電池の改質装置を説明するための概略図である。1 is a schematic diagram for explaining a fuel cell reforming apparatus according to a first embodiment of the present invention; FIG. 図1に示す改質装置の改質器の断面を模式的に示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows typically the cross section of the reformer of the reformer shown in FIG. 図1に示す電子制御ユニット(ECU)で実行される、改質装置の暖気動作および改質動作の制御の処理を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the process of control of the warming-up operation | movement and reforming operation | movement of a reformer performed by the electronic control unit (ECU) shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池、22 改質装置、34a 第1の電磁バルブ(停止手段)、54 電子制御ユニット(ECU。温度検出手段。停止手段)、90 改質触媒、104 部分酸化触媒、108a 第1の改質触媒温度センサ(温度検出手段)、108b 第2の改質触媒温度センサ(温度検出手段)   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 22 Reformer, 34a 1st electromagnetic valve (stop means), 54 Electronic control unit (ECU. Temperature detection means. Stop means), 90 Reform catalyst, 104 Partial oxidation catalyst, 108a 1st modification Catalyst temperature sensor (temperature detection means), 108b Second reforming catalyst temperature sensor (temperature detection means)

Claims (2)

燃料と水蒸気を改質触媒で反応させて水素を含有した改質ガスを生成し、前記生成された改質ガスを燃料電池の燃料極に供給するようにした燃料電池の改質装置において、前記改質触媒の上流側に配置されて前記燃料を部分酸化させる部分酸化触媒と、前記改質触媒を加熱する燃焼器と、前記改質触媒に近接して配置されて前記燃焼器から流入される排ガスを排出する排ガス管とを備えると共に、始動時に、前記部分酸化によって発生したガスを前記改質触媒に供給した後、前記燃焼器に還流させて前記燃焼器で燃焼させると共に、前記燃焼によって発生した排ガスを前記排ガス管に流入させるように構成したことを特徴とする燃料電池の改質装置。 In a fuel cell reforming apparatus, a fuel and water vapor are reacted with a reforming catalyst to generate a reformed gas containing hydrogen, and the generated reformed gas is supplied to a fuel electrode of a fuel cell. A partial oxidation catalyst that is disposed upstream of the reforming catalyst to partially oxidize the fuel, a combustor that heats the reforming catalyst, and is disposed adjacent to the reforming catalyst and flows from the combustor. An exhaust gas pipe for discharging exhaust gas, and at the start-up, the gas generated by the partial oxidation is supplied to the reforming catalyst, and then recirculated to the combustor and combusted in the combustor, and is generated by the combustion. An apparatus for reforming a fuel cell, wherein the exhaust gas is allowed to flow into the exhaust gas pipe . さらに、前記改質触媒の温度を検出する温度検出手段と、前記検出された改質触媒の温度が所定値を超えたとき、前記部分酸化によって発生したガスの供給を停止する停止手段とを備えるように構成したことを特徴とする請求項1記載の燃料電池の改質装置。   Furthermore, temperature detection means for detecting the temperature of the reforming catalyst and stop means for stopping the supply of the gas generated by the partial oxidation when the detected temperature of the reforming catalyst exceeds a predetermined value. 2. The fuel cell reforming apparatus according to claim 1, wherein the reforming apparatus is configured as described above.
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