JPH09115541A - Fuel cell system and operation method thereof - Google Patents

Fuel cell system and operation method thereof

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JPH09115541A
JPH09115541A JP7297580A JP29758095A JPH09115541A JP H09115541 A JPH09115541 A JP H09115541A JP 7297580 A JP7297580 A JP 7297580A JP 29758095 A JP29758095 A JP 29758095A JP H09115541 A JPH09115541 A JP H09115541A
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JP
Japan
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hydrogen
fuel cell
fuel
gas
carbon dioxide
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JP7297580A
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Japanese (ja)
Inventor
Masayoshi Taki
正佳 滝
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve over all energy efficiency by improving hydrogen utilization rate in a system without reducing the power generation efficiency of a fuel cell. SOLUTION: A fuel cell system is provided with a reformer 20 which receives methane, carbon dioxide, and water to produce a fuel gas containing hydrogen and carbon dioxide as main components and a fuel cell 30 which receives the fuel gas produced by the reformer 20 and generates electricity. An exhaust gas contained in a fuel gas system exhausted from the fuel cell 30 is supplied to the reformer 20 as a carbon dioxide. Hydrogen which has not been used for power generation is intermingled in the exhaust gas in the fuel gas system, but the hydrogen passes through the reformer 20 and is supplied to the fuel cell 30 as it is. As a result, a hydrogen utilization rate can be improved in the system.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
およびその運転方法に関し、詳しくは、炭化水素から水
素と二酸化炭素を主成分とする燃料ガスを生成する改質
器と、この生成した燃料ガス中の水素を燃料として発電
する燃料電池とを備える燃料電池システムおよびその運
転方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system and a method of operating the same, and more specifically, a reformer for producing a fuel gas containing hydrogen and carbon dioxide as a main component from a hydrocarbon, and the produced fuel gas. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power using hydrogen in the fuel, and an operating method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種の燃料電池システムとして
は、天然ガスから水素を主成分とする燃料ガスを生成す
る改質器と、この改質器により生成された燃料ガスの供
給を受けて発電する燃料電池とを備える燃料電池システ
ムが提案されている(例えば、特開平5−114414
号公報等)。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a fuel cell system of this type, a reformer for producing a fuel gas containing hydrogen as a main component from natural gas, and a fuel gas produced by the reformer are supplied. A fuel cell system including a fuel cell for generating power has been proposed (for example, JP-A-5-114414).
No.).

【0003】このシステムの改質器は、天然ガスと水
(水蒸気)とを原材料として次式(1)に示すいわゆる
水蒸気改質反応と、この水蒸気改質反応により副生する
一酸化炭素と水(水蒸気)とによる次式(2)に示すい
わゆるシフト反応とにより、全体としては次式(3)に
より、水素と二酸化炭素とを主成分とする燃料ガスを生
成する。これらの反応は全体としては吸熱反応であるこ
とから、この反応に必要な熱(エネルギ)を供給するた
めに、改質器には、反応部を加熱するバーナが設けられ
ている。
The reformer of this system uses so-called steam reforming reaction represented by the following formula (1) using natural gas and water (steam) as raw materials, and carbon monoxide and water by-produced by this steam reforming reaction. By the so-called shift reaction represented by the following formula (2) with (water vapor), the fuel gas containing hydrogen and carbon dioxide as main components is generated by the following formula (3) as a whole. Since these reactions are endothermic reactions as a whole, the reformer is provided with a burner for heating the reaction part in order to supply heat (energy) necessary for this reaction.

【0004】[0004]

【数1】 (Equation 1)

【0005】こうして生成された燃料ガスは燃料電池に
供給されるが、燃料電池には、発電効率をより良くする
ために、即ち燃料電池の燃料ガスの出口付近に配置され
た電極部分でも他の部分と同様に次式(4)および
(5)に示す電気化学反応を行なって発電するように、
燃料電池が必要とする水素量に対し20ないし30%程
度過剰な水素量となる燃料ガスが供給される。したがっ
て、燃料電池から排出される燃料ガス系の排ガスには未
使用の水素ガスが含まれることになる。上記システムで
は、この燃料ガス系の排ガスを、改質器の反応部を加熱
するバーナに送って、排ガス中の未使用の水素を燃料と
して燃焼している。
The fuel gas thus generated is supplied to the fuel cell. However, in order to improve the power generation efficiency of the fuel cell, that is, in the electrode portion arranged near the fuel gas outlet of the fuel cell, other fuel gas is used. In the same manner as the part, the electrochemical reaction shown in the following formulas (4) and (5) is performed to generate power,
A fuel gas is supplied which has an excess hydrogen amount of about 20 to 30% with respect to the hydrogen amount required by the fuel cell. Therefore, the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell contains unused hydrogen gas. In the above system, the exhaust gas of the fuel gas system is sent to the burner that heats the reaction part of the reformer, and unused hydrogen in the exhaust gas is burned as fuel.

【0006】[0006]

【数2】 (Equation 2)

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、排ガス
中の未使用の水素を改質器の反応部を加熱するための燃
料として使用するのでは、全体としてのエネルギ効率が
低下してしまうという問題があった。排ガス中の未使用
の水素は、天然ガスから吸熱を伴って生成されるもので
あるから、改質器の反応部を加熱するための燃料として
天然ガスをそのまま用いた場合に比し、吸熱によるエネ
ルギの分だけ燃焼により発生するエネルギが小さくなっ
てしまう。
However, if the unused hydrogen in the exhaust gas is used as the fuel for heating the reaction part of the reformer, the energy efficiency as a whole is lowered. there were. The unused hydrogen in the exhaust gas is generated by the endothermic reaction from natural gas, and therefore, due to the endothermic effect compared to the case where natural gas is used as it is as a fuel for heating the reaction part of the reformer. The energy generated by combustion is reduced by the amount of energy.

【0008】こうした問題に対し、燃料電池に供給する
燃料ガスの供給量を発電に必要な量にできればよいが、
こうすると、燃料電池の燃料ガスの出口付近に配置され
た電極部分には、電気化学反応に必要な十分な量の水素
が供給されず、燃料電池の発電効率を低下させてしま
う。
To solve these problems, it is sufficient if the amount of fuel gas supplied to the fuel cell can be set to the amount required for power generation.
In this case, a sufficient amount of hydrogen necessary for the electrochemical reaction is not supplied to the electrode portion arranged near the fuel gas outlet of the fuel cell, which lowers the power generation efficiency of the fuel cell.

【0009】本発明の燃料電池システムおよびその運転
方法は、燃料電池の発電効率を低下させることなく、シ
ステムにおける水素利用率を向上させて全体としてのエ
ネルギ効率を向上させることを目的とする。
An object of the fuel cell system and its operating method of the present invention is to improve the hydrogen utilization rate in the system and improve the energy efficiency as a whole without lowering the power generation efficiency of the fuel cell.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の燃料電池システムは、炭化水素と二酸化炭素とか
ら水素と一酸化炭素とを主成分とする中間ガスを生成す
る第1反応部と、該生成した中間ガスと水とから水素と
二酸化炭素とを主成分とする燃料ガスを生成する第2反
応部とを有する炭化水素改質器と、該炭化水素改質器に
より生成した燃料ガスの供給を受け、該燃料ガス中の水
素を燃料として発電する燃料電池と、を備える燃料電池
システムであって、前記燃料電池から排出される燃料ガ
ス系の排ガスの少なくとも一部を、前記炭化水素改質器
が有する前記第1反応部に前記中間ガスを生成する原料
の一部として供給する排ガス供給手段を備えることを要
旨とする。
Means for Solving the Problem and Its Action / Effect The fuel cell system of the present invention comprises a first reaction part for producing an intermediate gas containing hydrogen and carbon monoxide as main components from hydrocarbon and carbon dioxide. A hydrocarbon reformer having a second reaction part for producing a fuel gas containing hydrogen and carbon dioxide as main components from the produced intermediate gas and water, and the fuel gas produced by the hydrocarbon reformer And a fuel cell for generating electricity using hydrogen in the fuel gas as a fuel, wherein at least a part of the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell is the hydrocarbon. It is a gist to provide an exhaust gas supply means for supplying the first reaction section of the reformer as a part of a raw material for generating the intermediate gas.

【0011】この燃料電池システムは、炭化水素改質器
の第1反応部が、供給された炭化水素と二酸化炭素とか
ら水素と一酸化炭素とを主成分とする中間ガスを生成
し、炭化水素改質器の第2反応部が、この生成した中間
ガスと水とから水素と二酸化炭素とを主成分とする燃料
ガスを生成する。燃料電池は、炭化水素改質器により生
成した燃料ガスの供給を受け、燃料ガス中の水素を燃料
として発電する。そして、排ガス供給手段は、燃料電池
から排出される燃料ガス系の排ガスの少なくとも一部
を、炭化水素改質器が有する第1反応部に中間ガスを生
成する原料の一部として供給する。
In this fuel cell system, the first reaction section of the hydrocarbon reformer produces an intermediate gas containing hydrogen and carbon monoxide as main components from the supplied hydrocarbon and carbon dioxide, and The second reaction section of the reformer produces a fuel gas containing hydrogen and carbon dioxide as main components from the produced intermediate gas and water. The fuel cell is supplied with the fuel gas generated by the hydrocarbon reformer, and uses the hydrogen in the fuel gas as fuel to generate electricity. Then, the exhaust gas supply means supplies at least a part of the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell to the first reaction section of the hydrocarbon reformer as a part of the raw material for generating the intermediate gas.

【0012】ここで、燃料ガス系の排ガスには、燃料ガ
スの主成分である二酸化炭素と燃料電池で使用されなか
った水素とが含まれる。したがって、燃料ガス系の排ガ
スの一部を炭化水素改質器の第1反応部に供給すること
により、排ガス中の二酸化炭素を原料として再利用する
ことができる。しかも、燃料電池で使用されなかった水
素がそのまま炭化水素改質部を通り抜けて燃料ガスと共
に燃料電池に供給されるから、炭化水素改質器により生
成される水素量に対する燃料電池により消費される水素
量の比である水素の利用率を高くすることができ、運転
効率をより良くすることができる。
Here, the exhaust gas of the fuel gas system contains carbon dioxide which is the main component of the fuel gas and hydrogen which has not been used in the fuel cell. Therefore, by supplying a part of the exhaust gas of the fuel gas system to the first reaction section of the hydrocarbon reformer, carbon dioxide in the exhaust gas can be reused as a raw material. Moreover, since hydrogen not used in the fuel cell passes through the hydrocarbon reforming section as it is and is supplied to the fuel cell together with the fuel gas, the hydrogen consumed by the fuel cell relative to the amount of hydrogen produced by the hydrocarbon reformer. The utilization rate of hydrogen, which is the ratio of the amounts, can be increased, and the operating efficiency can be improved.

【0013】本発明の前記燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出される燃料ガス系の排ガスから水
素を分離する水素分離手段と、該分離された水素を前記
燃料電池に燃料として供給する水素供給手段とを備え、
前記排ガス供給手段は、前記水素分離手段により水素が
分離された残余のガスの少なくとも一部を、前記炭化水
素改質器が有する前記第1反応部に前記中間ガスを生成
する原料の一部として供給する手段である態様とするこ
ともできる。
In the fuel cell system of the present invention,
A hydrogen separation means for separating hydrogen from the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell; and a hydrogen supply means for supplying the separated hydrogen as fuel to the fuel cell,
The exhaust gas supply means uses at least a part of the residual gas from which hydrogen has been separated by the hydrogen separation means, as a part of a raw material that produces the intermediate gas in the first reaction section of the hydrocarbon reformer. It is also possible to adopt a mode that is a supply means.

【0014】この態様では、水素分離手段が、燃料電池
から排出される燃料ガス系の排ガスから水素を分離し、
水素供給手段が、分離された水素を燃料電池に燃料とし
て供給する。そして、排ガス供給手段は、水素分離手段
により水素が分離された残余のガスの少なくとも一部
を、炭化水素改質器が有する第1反応部に中間ガスを生
成する原料の一部として供給する。
In this aspect, the hydrogen separating means separates hydrogen from the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell,
The hydrogen supply means supplies the separated hydrogen to the fuel cell as a fuel. Then, the exhaust gas supply means supplies at least a part of the residual gas from which the hydrogen has been separated by the hydrogen separation means, as a part of the raw material for producing the intermediate gas to the first reaction section of the hydrocarbon reformer.

【0015】この態様とすれば、燃料ガス系の水素を分
離して燃料として燃料電池に供給するから、燃料電池シ
ステムにおける水素の利用率を高くすることができ、運
転効率をより良くすることができる。もとより、水素を
分離した残余のガスの少なくとも一部を炭化水素改質器
が有する第1反応部に供給するから、排ガス中の二酸化
炭素を再利用することができる。
According to this aspect, since hydrogen in the fuel gas system is separated and supplied to the fuel cell as fuel, the utilization rate of hydrogen in the fuel cell system can be increased and the operating efficiency can be improved. it can. Of course, since at least a part of the residual gas from which hydrogen has been separated is supplied to the first reaction section of the hydrocarbon reformer, carbon dioxide in the exhaust gas can be reused.

【0016】また、前記燃料電池システムにおいて、前
記排ガス供給手段により前記炭化水素改質器が有する前
記第1反応部に供給されなかった残余の排ガスから水素
を分離する水素分離手段と、該分離された水素を前記燃
料電池に燃料として供給する水素供給手段とを備える態
様とすることもできる。
In the fuel cell system, hydrogen separating means for separating hydrogen from the residual exhaust gas not supplied to the first reaction section of the hydrocarbon reformer by the exhaust gas supply means, and the separated hydrogen separating means. A hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell as a fuel may be used.

【0017】この態様では、水素分離手段が、排ガス供
給手段により炭化水素改質器が有する第1反応部に供給
されなかった残余の排ガスから水素を分離し、水素供給
手段が、この分離された水素を燃料電池に燃料として供
給する。この態様とすれば、排ガス供給手段により炭化
水素改質器が有する第1反応部に供給されなかった残余
の排ガス中の水素を分離して燃料として燃料電池に供給
するから、燃料電池システムにおける水素の利用率を高
くすることができ、運転効率をより良くすることができ
る。
In this aspect, the hydrogen separation means separates hydrogen from the residual exhaust gas that has not been supplied to the first reaction section of the hydrocarbon reformer by the exhaust gas supply means, and the hydrogen supply means separates this. Hydrogen is supplied to the fuel cell as fuel. According to this aspect, the hydrogen in the residual exhaust gas that has not been supplied to the first reaction section of the hydrocarbon reformer by the exhaust gas supply means is separated and supplied to the fuel cell as fuel, so that the hydrogen in the fuel cell system is used. It is possible to increase the utilization rate of the fuel cell and improve the operation efficiency.

【0018】前記燃料電池システムにおいて、前記燃料
電池から排出される燃料ガス系の排ガスから二酸化炭素
を分離する二酸化炭素分離手段を備え、前記排ガス供給
手段は、該二酸化炭素分離手段により分離された二酸化
炭素の少なくとも一部を、前記炭化水素改質器が有する
前記第1反応部に前記中間ガスを生成する原料の一部と
して供給する手段である態様とすることもできる。
The fuel cell system is provided with a carbon dioxide separating means for separating carbon dioxide from the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell, and the exhaust gas supplying means is the carbon dioxide separating means. A mode in which at least a part of carbon is supplied to the first reaction section of the hydrocarbon reformer as a part of a raw material for generating the intermediate gas may be adopted.

【0019】この態様では、二酸化炭素分離手段が、燃
料電池から排出される燃料ガス系の排ガスから二酸化炭
素を分離し、排ガス供給手段が、二酸化炭素分離手段に
より分離された二酸化炭素の少なくとも一部を、炭化水
素改質器が有する第1反応部に中間ガスを生成する原料
の一部として供給する。この態様とすれば、排ガス中の
二酸化炭素を再利用することができる。
In this aspect, the carbon dioxide separating means separates carbon dioxide from the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell, and the exhaust gas supplying means at least part of the carbon dioxide separated by the carbon dioxide separating means. Is supplied to the first reaction section of the hydrocarbon reformer as a part of the raw material for generating the intermediate gas. According to this aspect, carbon dioxide in the exhaust gas can be reused.

【0020】こうした二酸化炭素分離手段を備える燃料
電池システムにおいて、前記二酸化炭素分離手段により
二酸化炭素が分離された残余のガスを前記燃料電池に燃
料として供給する残余ガス供給手段を備える態様とする
こともできる。こうすれば、排ガス中の含まれる水素が
燃料として燃料電池に供給されるから、燃料電池システ
ムにおける水素の利用率を高くすることができ、運転効
率をより良くすることができる。
In the fuel cell system including the carbon dioxide separating means, the residual gas supply means for supplying the residual gas obtained by separating the carbon dioxide by the carbon dioxide separating means to the fuel cell as a fuel may be adopted. it can. With this, hydrogen contained in the exhaust gas is supplied to the fuel cell as a fuel, so that the utilization rate of hydrogen in the fuel cell system can be increased and the operation efficiency can be further improved.

【0021】これらの各態様の燃料電池システムにおい
て、前記炭化水素改質器は、前記燃料ガス中の一酸化炭
素を選択的に酸化して二酸化炭素とする選択酸化反応部
を備える態様とすることもできる。こうすれば、燃料ガ
ス中の一酸化炭素についての許容濃度が極めて低いタイ
プの燃料電池でもシステムの構成とすることができる。
In the fuel cell system according to each of these aspects, the hydrocarbon reformer is provided with a selective oxidation reaction section that selectively oxidizes carbon monoxide in the fuel gas into carbon dioxide. You can also In this way, the system can be configured with a fuel cell of a type having an extremely low allowable concentration of carbon monoxide in the fuel gas.

【0022】また、前記燃料電池システムにおいて、前
記炭化水素は、メタンである態様とすることもでき、あ
るいは、炭素数の異なる複数の化合物を含むガスである
態様とすることもできる。
In the fuel cell system, the hydrocarbon may be methane or a gas containing a plurality of compounds having different carbon numbers.

【0023】本発明の燃料電池システムの運転方法は、
炭化水素と二酸化炭素とから水素と一酸化炭素とを主成
分とする中間ガスを生成する第1反応部と、該生成した
中間ガスと水とから水素と二酸化炭素とを主成分とする
燃料ガスを生成する第2反応部とを有する炭化水素改質
器と、該炭化水素改質器により生成した燃料ガスの供給
を受け、該燃料ガス中の水素を燃料として発電する燃料
電池とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池から排出される燃料ガス系の排ガスの少な
くとも一部を、前記炭化水素改質器が有する前記第1反
応部に前記中間ガスを生成する原料の一部として供給す
ることを要旨とする。
The operating method of the fuel cell system of the present invention is as follows:
A first reaction section for producing an intermediate gas containing hydrogen and carbon monoxide as main components from hydrocarbon and carbon dioxide, and a fuel gas containing hydrogen and carbon dioxide as main components from the produced intermediate gas and water A fuel comprising a hydrocarbon reformer having a second reaction part for producing hydrogen and a fuel cell for receiving the supply of the fuel gas produced by the hydrocarbon reformer and generating electricity using hydrogen in the fuel gas as fuel. A method of operating a battery system,
At least a part of the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell is supplied to the first reaction section of the hydrocarbon reformer as a part of a raw material for generating the intermediate gas. .

【0024】この運転方法によれば、燃料ガス系の排ガ
スには燃料ガスの主成分である二酸化炭素と燃料電池で
使用されなかった水素とが含まれるから、燃料ガス系の
排ガスの一部を炭化水素改質器の第1反応部に供給する
ことにより、排ガス中の二酸化炭素を原料として再利用
することができる。しかも、燃料電池で使用されなかっ
た水素がそのまま炭化水素改質部を通り抜けて燃料ガス
と共に燃料電池に供給されるから、燃料電池システムに
おける水素の利用率を高くすることができ、運転効率を
より良くすることができる。
According to this operating method, the exhaust gas of the fuel gas system contains carbon dioxide, which is the main component of the fuel gas, and hydrogen that has not been used in the fuel cell. By supplying to the first reaction section of the hydrocarbon reformer, carbon dioxide in the exhaust gas can be reused as a raw material. Moreover, since hydrogen that has not been used in the fuel cell passes through the hydrocarbon reforming section as it is and is supplied to the fuel cell together with the fuel gas, it is possible to increase the utilization rate of hydrogen in the fuel cell system and improve the operating efficiency. You can get better.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づき説明する。図1は、本発明の好適な一実施例
である燃料電池システム10の構成の概略を例示するブ
ロック図である。図示するように、燃料電池システム1
0は、メタンを貯蔵するメタンタンク12と、水を貯蔵
する水タンク14と、メタンタンク12から供給される
メタンを改質して水素と二酸化炭素とを主成分とする燃
料ガスを生成する改質器20と、改質器20で生成され
る燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス(例えば、空気)
との供給を受けて発電する燃料電池30と、改質器20
および燃料電池30の運転を制御する電子制御ユニット
40とから構成される。
Next, embodiments of the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system 10 that is a preferred embodiment of the present invention. As shown, the fuel cell system 1
0 is a methane tank 12 that stores methane, a water tank 14 that stores water, and a reformer that reforms methane supplied from the methane tank 12 to generate a fuel gas containing hydrogen and carbon dioxide as main components. Oxidizing gas (for example, air) containing oxygen and the fuel gas produced in the reformer 20
And a reformer 20 for generating power by receiving the supply of
And an electronic control unit 40 that controls the operation of the fuel cell 30.

【0026】改質器20は、メタンタンク12からのメ
タンと燃料電池30から排出される燃料ガス系の排ガス
との供給を受けて次式(6)に示す反応式により一酸化
炭素と水素とを主成分とする改質ガスを生成する改質反
応部22と、改質ガス中の一酸化炭素と水タンク14か
ら供給される水とを式(7)に示す反応式により二酸化
炭素と水素とにして改質ガスを燃料ガスにするシフト反
応部24と、シフト反応部24では反応しきれずに燃料
ガス中に残存した微量の一酸化炭素をブロワ27により
供給される空気中の酸素により選択的に酸化して二酸化
炭素として燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減する選択
酸化部28と、シフト反応部24と選択酸化部28との
連絡管に設けられシフト反応部24により生成される燃
料ガス中の一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素センサ
26とを備える。なお、改質反応部22の反応とシフト
反応部24の反応とを合わせた全体としての反応は、式
(8)に示すとおりである。
The reformer 20 receives the supply of methane from the methane tank 12 and the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30, and produces carbon monoxide and hydrogen according to the reaction equation shown in the following equation (6). The reforming reaction part 22 for generating a reformed gas containing as a main component, carbon monoxide in the reformed gas, and water supplied from the water tank 14 are converted into carbon dioxide and hydrogen by the reaction formula shown in Formula (7). And the shift reaction part 24 which uses the reformed gas as the fuel gas, and the minute amount of carbon monoxide which cannot be completely reacted in the shift reaction part 24 and remains in the fuel gas is selected by oxygen in the air supplied by the blower 27. Which is selectively oxidized to reduce carbon monoxide concentration in the fuel gas as carbon dioxide, and a fuel which is provided in a connecting pipe between the shift reaction section 24 and the selective oxidation section 28 and which is generated by the shift reaction section 24 Monoxide in gas And a carbon monoxide sensor 26 for detecting the oxygen concentration. The overall reaction including the reaction of the reforming reaction section 22 and the reaction of the shift reaction section 24 is as shown in formula (8).

【0027】[0027]

【数3】 (Equation 3)

【0028】改質反応部22には、上式(6)の反応を
促進する触媒(例えばNi系触媒)が充填されている。
また、式(6)の反応が吸熱反応であることから、この
反応に必要な熱量を供給するために、改質反応部22
は、メタンタンク12から供給されるメタンと、燃料電
池30から排出される燃料ガス系の排ガスの一部とを燃
焼する燃焼部23を備える。この他、改質反応部22
は、図示しないが、反応部内部の温度を検出する温度セ
ンサを備える。こうした改質反応部22は、信号線によ
り電子制御ユニット40に接続されており、電子制御ユ
ニット40により、改質反応部22の運転温度を所定温
度(実施例の場合は750℃)に保つ運転温度制御およ
び改質反応部22へのメタンおよび燃料ガス系の排ガス
の供給量制御がなされる。なお、改質反応部22の運転
温度制御は、温度センサにより検出される反応部内部の
温度に基づいて燃焼部23へのメタンの供給量を制御す
ることにより行なわれる。
The reforming reaction section 22 is filled with a catalyst (for example, a Ni-based catalyst) that promotes the reaction of the above formula (6).
Further, since the reaction of the formula (6) is an endothermic reaction, the reforming reaction section 22 is supplied in order to supply the heat amount necessary for this reaction.
Includes a combustor 23 that combusts methane supplied from the methane tank 12 and a part of the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30. In addition, the reforming reaction section 22
Although not shown, includes a temperature sensor that detects the temperature inside the reaction unit. The reforming reaction section 22 is connected to the electronic control unit 40 by a signal line, and the electronic control unit 40 operates to keep the operating temperature of the reforming reaction section 22 at a predetermined temperature (750 ° C. in the case of the embodiment). The temperature control and the supply amount control of the methane and the exhaust gas of the fuel gas system to the reforming reaction section 22 are performed. The operation temperature control of the reforming reaction section 22 is performed by controlling the supply amount of methane to the combustion section 23 based on the temperature inside the reaction section detected by the temperature sensor.

【0029】シフト反応部24には、上式(7)の反応
を促進する触媒(例えば、Cu−ZnO系触媒)が充填
されている。シフト反応部24は、図示しないが、反応
部内部の温度を検出する温度センサと、反応部内部の温
度を調節する温度調節機構(例えば、熱交換器等)とを
備える。シフト反応部24は、信号線により電子制御ユ
ニット40に接続されており、電子制御ユニット40に
より、シフト反応部24の運転温度を所定温度(実施例
の場合は250℃)に保つ運転温度制御およびシフト反
応部24への水の供給量制御がなされる。なお、実施例
のシフト反応部24で行なわれる運転温度制御は、改質
反応部22が750℃に保たれることによりシフト反応
部24に供給される改質ガスも750℃程度の温度とな
っていること及び式(7)が発熱反応であることから、
熱交換器に循環される冷却水の流量を調節して反応部内
部を冷却する制御となる。
The shift reaction section 24 is filled with a catalyst (for example, a Cu--ZnO type catalyst) that promotes the reaction of the above formula (7). Although not shown, the shift reaction unit 24 includes a temperature sensor that detects the temperature inside the reaction unit and a temperature adjustment mechanism (for example, a heat exchanger) that adjusts the temperature inside the reaction unit. The shift reaction unit 24 is connected to the electronic control unit 40 by a signal line, and the electronic control unit 40 controls the operating temperature of the shift reaction unit 24 to a predetermined temperature (250 ° C. in the embodiment) and The amount of water supplied to the shift reaction unit 24 is controlled. In the operating temperature control performed in the shift reaction section 24 of the embodiment, the reforming gas supplied to the shift reaction section 24 is maintained at a temperature of about 750 ° C. by keeping the reforming reaction section 22 at 750 ° C. And that equation (7) is an exothermic reaction,
The flow rate of cooling water circulated through the heat exchanger is adjusted to control the inside of the reaction section.

【0030】選択酸化部28には、水素リッチガス中の
少量の一酸化炭素の酸化反応を水素の酸化反応に優先し
て行なう触媒(例えば、Ru系触媒)が充填されてい
る。また、選択酸化部28は、図示しないが、反応部内
部の温度を検出する温度センサと、反応部内部の温度を
調節する温度調節機構(例えば、熱交換器等)とを備え
る。選択酸化部28は、信号線により電子制御ユニット
40に接続されており、電子制御ユニット40により、
選択酸化部28の運転温度を所定温度(実施例の場合は
90℃)に保つ運転温度制御およびブロワ27から選択
酸化部28への空気の導入量制御がなされる。なお、実
施例の選択酸化部28で行なわれる運転温度制御は、シ
フト反応部24が250℃に保たれることから、シフト
反応部24における運転温度制御と同様に熱交換器に循
環される冷却水の流量を調節して反応部内部を冷却する
制御となる。また、空気の導入量制御は、シフト反応部
24により生成される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を一
酸化炭素センサ26により検出し、検出した一酸化炭素
濃度に応じた酸素量、即ち燃料ガス中の一酸化炭素のす
べてを酸化して二酸化炭素とするのに十分な酸素量とな
る空気量を演算し、この演算結果に基づいて選択酸化部
28に設けられた図示しない空気導入口のバルブの開度
を調整することにより行なわれる。
The selective oxidizer 28 is filled with a catalyst (for example, Ru-based catalyst) that preferentially performs the oxidation reaction of a small amount of carbon monoxide in the hydrogen-rich gas over the oxidation reaction of hydrogen. Although not shown, the selective oxidation unit 28 includes a temperature sensor that detects the temperature inside the reaction unit and a temperature adjustment mechanism (for example, a heat exchanger) that adjusts the temperature inside the reaction unit. The selective oxidation unit 28 is connected to the electronic control unit 40 by a signal line, and by the electronic control unit 40,
An operating temperature control for maintaining the operating temperature of the selective oxidation section 28 at a predetermined temperature (90 ° C. in the case of the embodiment) and an introduction amount of air from the blower 27 to the selective oxidation section 28 are performed. The operating temperature control performed in the selective oxidation section 28 of the embodiment is such that the shift reaction section 24 is kept at 250 ° C., and therefore the cooling is circulated to the heat exchanger in the same manner as the operating temperature control in the shift reaction section 24. The control is to cool the inside of the reaction part by adjusting the flow rate of water. In addition, the introduction amount of air is controlled by detecting the carbon monoxide concentration in the fuel gas generated by the shift reaction unit 24 by the carbon monoxide sensor 26, and the oxygen amount according to the detected carbon monoxide concentration, that is, the fuel gas. The amount of air that is sufficient to oxidize all of the carbon monoxide in the carbon dioxide into carbon dioxide is calculated, and based on this calculation result, a valve for an air inlet (not shown) provided in the selective oxidation unit 28. This is done by adjusting the opening degree of.

【0031】燃料電池30は、固体高分子型の燃料電池
であり、その単一セル構造として図2に示す構造を備え
る。図示するように、セルは、フッ素系樹脂等の固体高
分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である
電解質膜31と、白金または白金と他の金属からなる合
金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成さ
れ触媒が練り込められた面で電解質膜31を挟持してサ
ンドイッチ構造とするガス拡散電極としてのアノード3
2およびカソード33と、このサンドイッチ構造を両側
から挟みつつアノード32およびカソード33とで燃料
ガスおよび酸化ガスの流路を形成するセパレータ34,
35と、セパレータ34,35の外側に配置されアノー
ド32およびカソード33の集電極となる集電板36,
37とにより構成されている。図2では、説明のため燃
料電池30の単一セルの構成を示したが、実際には、セ
パレータ34,アノード32,電解質膜31,カソード
33,セパレータ35をこの順に複数組積層し、その積
層端に集電板36,37を配置することにより、燃料電
池30は構成されている。なお、燃料電池30は、図示
しないが、内部の温度を検出する温度センサや温度調節
機構を備え、電子制御ユニット40により運転温度の制
御がなされる。
The fuel cell 30 is a polymer electrolyte fuel cell, and has the structure shown in FIG. 2 as its single cell structure. As shown in the figure, the cell contains an electrolyte membrane 31, which is a proton conductive membrane formed of a solid polymer material such as a fluororesin, and a catalyst of platinum or an alloy of platinum and another metal. Anode 3 serving as a gas diffusion electrode having a sandwich structure in which an electrolyte membrane 31 is sandwiched by a surface formed of carbon cloth and containing a catalyst.
2 and a cathode 33, and a separator 34 that forms a flow path of a fuel gas and an oxidizing gas with the anode 32 and the cathode 33 while sandwiching the sandwich structure from both sides.
35, and a collector plate 36 disposed outside the separators 34, 35 and serving as a collector electrode for the anode 32 and the cathode 33,
And 37. In FIG. 2, the configuration of a single cell of the fuel cell 30 is shown for the sake of description, but in reality, a plurality of separators 34, an anode 32, an electrolyte membrane 31, a cathode 33, and a separator 35 are laminated in this order, and the lamination is performed. The fuel cell 30 is configured by disposing the current collector plates 36 and 37 at the ends. Although not shown, the fuel cell 30 includes a temperature sensor that detects the internal temperature and a temperature adjustment mechanism, and the operating temperature is controlled by the electronic control unit 40.

【0032】燃料電池30の燃料ガス系の入口は、燃料
ガス供給管29により改質器20と接続されており、改
質器20で生成された燃料ガスが燃料ガス供給管29を
介して供給される。また、燃料電池30の燃料ガス系の
排ガスの出口は、排ガス供給管38により改質器20の
改質反応部22の供給口に接続されており、燃料ガス系
の排ガスが改質反応部22に供給される。また、排ガス
供給管38には分岐管38Bが分岐しており、改質反応
部22に供給される残余の排ガスが改質反応部22の燃
焼部23に供給され燃焼されるようになっている。
The inlet of the fuel gas system of the fuel cell 30 is connected to the reformer 20 by a fuel gas supply pipe 29, and the fuel gas generated in the reformer 20 is supplied through the fuel gas supply pipe 29. To be done. The outlet of the fuel gas system exhaust gas of the fuel cell 30 is connected to the supply port of the reforming reaction section 22 of the reformer 20 by an exhaust gas supply pipe 38, and the fuel gas system exhaust gas is connected to the reforming reaction section 22. Is supplied to. Further, a branch pipe 38B is branched to the exhaust gas supply pipe 38, and the residual exhaust gas supplied to the reforming reaction part 22 is supplied to the combustion part 23 of the reforming reaction part 22 and burned. .

【0033】電子制御ユニット40は、マイクロコンピ
ュータを中心とした論理回路として構成され、詳しく
は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算
等を実行するCPU42と、CPU42で各種演算処理
を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が
予め格納されたROM44と、同じくCPU42で各種
演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読
み書きされるRAM46と、各部の各種センサからの検
出信号を入力すると共にCPU42での演算結果に応じ
て各部に駆動信号を出力する入出力ポート48等を備え
る。
The electronic control unit 40 is configured as a logic circuit centering on a microcomputer, and more specifically, a CPU 42 that executes a predetermined calculation and the like according to a preset control program, and various calculation processes are executed by the CPU 42. ROM 44 in which control programs and control data necessary for the above are stored in advance, RAM 46 in which various data necessary for executing various arithmetic processing in the CPU 42 are temporarily read and written, and detection signals from various sensors of each unit. And an input / output port 48 for outputting a drive signal to each section according to the calculation result in the CPU 42.

【0034】次に、こうして構成された燃料電池システ
ム10の運転について説明する。燃料電池30が供給さ
れた燃料ガス中の水素のすべてを発電に用いることがで
きるものであれば、燃料電池30には、燃料電池30で
消費される水素量を計算し、計算された水素量となる燃
料ガスを供給すればよい。この場合、改質反応部22に
は、計算された水素量を発生する量のメタンおよび二酸
化炭素が供給されることになる。しかし、燃料電池30
を構成する各セルが均等に、かつ各セルのどの部分でも
効率よく発電するようにするためには、燃料電池30で
消費する水素量より20〜30%程度過剰な水素量とな
る燃料ガスを燃料電池30に供給する必要がある。した
がって、燃料電池30から排出される燃料ガス系の排ガ
スには、燃料電池30で使用されなかった水素が含まれ
ることになる。
Next, the operation of the fuel cell system 10 thus constructed will be described. If the fuel cell 30 can use all the hydrogen in the supplied fuel gas for power generation, the fuel cell 30 calculates the amount of hydrogen consumed by the fuel cell 30, and calculates the calculated hydrogen amount. It is sufficient to supply the fuel gas that becomes In this case, the reforming reaction unit 22 is supplied with the amounts of methane and carbon dioxide that generate the calculated amount of hydrogen. However, the fuel cell 30
In order to make each of the cells composing the fuel cell evenly and efficiently generate power in any part of each cell, a fuel gas having a hydrogen amount that is about 20 to 30% more than the hydrogen amount consumed in the fuel cell 30 is used. It is necessary to supply the fuel cell 30. Therefore, the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30 contains hydrogen not used in the fuel cell 30.

【0035】いま、燃料電池システム10が、改質反応
部22に供給されるメタン量が1[モル/分]で燃料電
池30から排出される燃料ガス系の排ガスに含まれる二
酸化炭素量および水素量がそれぞれ2[モル/分]およ
び2α[モル/分]の定常運転状態にあるとする。改質
反応部22に供給される1[モル/分]のメタンに対
し、上式(6)の反応における当量の二酸化炭素は1
[モル/分]であるから、改質反応部22には、燃料電
池30から排出される燃料ガス系の排ガスの半分を供給
することになる。したがって、改質反応部22には、1
[モル/分]の二酸化炭素が供給されるに伴ってα[モ
ル/分]の水素が供給されることになる。改質反応部2
2に供給されたα[モル/分]の水素は改質反応部22
をそのまま通過し、1[モル/分]のメタンと1[モル
/分]の二酸化炭素とは上式(6)の反応により2[モ
ル/分]の一酸化炭素と2[モル/分]の水素とになる
から、シフト反応部24へは、2[モル/分]の一酸化
炭素と(2+α)[モル/分]の水素が供給されること
になる。なお、燃料電池30から排出される燃料ガス系
の排ガスの残りの半分は、改質反応部22の燃焼部23
に導入され、排ガス中の水素はこの燃焼部23で燃焼さ
れる。
In the fuel cell system 10, the amount of methane supplied to the reforming reaction section 22 is 1 [mol / min] and the amount of carbon dioxide and hydrogen contained in the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30. It is assumed that the amounts are 2 [mol / min] and 2α [mol / min], respectively, in a steady operation state. With respect to 1 [mol / min] methane supplied to the reforming reaction section 22, the equivalent amount of carbon dioxide in the reaction of the above formula (6) is 1
Since it is [mol / min], half of the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30 is supplied to the reforming reaction section 22. Therefore, the reforming reaction section 22 has 1
As [mol / min] carbon dioxide is supplied, α [mol / min] hydrogen is supplied. Reforming reaction section 2
The hydrogen of α [mol / min] supplied to 2 is supplied to the reforming reaction section 22.
And 1 [mol / min] of methane and 1 [mol / min] of carbon dioxide react with 2 [mol / min] of carbon monoxide and 2 [mol / min] by the reaction of the above formula (6). Therefore, 2 [mol / min] of carbon monoxide and (2 + α) [mol / min] of hydrogen are supplied to the shift reaction part 24. The other half of the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30 is the combustion part 23 of the reforming reaction part 22.
The hydrogen contained in the exhaust gas is burned in the combustion section 23.

【0036】シフト反応部24には、2[モル/分]の
一酸化炭素と(2+α)[モル/分]の水素の他に2
[モル/分]の水が供給される。シフト反応部24に供
給された一酸化炭素と水は、上式(7)の反応により2
[モル/分]の二酸化炭素と2[モル/分]の水素とに
なり、(2+α)[モル/分]の水素は、そのままシフ
ト反応部24を通過する。したがって、選択酸化部28
には、2[モル/分]の二酸化炭素と(4+α)[モル
/分]の水素とが導入されることになる。なお、選択酸
化部28に導入される燃料ガス中の一酸化炭素濃度は、
水素濃度や二酸化炭素濃度に比して極めて小さいから、
燃料電池30に供給される二酸化炭素および水素の量
は、選択酸化部28に導入されるこれらの量と同じと考
えてもよい。実際は、選択酸化部28で酸化される一酸
化炭素量の分だけ二酸化炭素量が増加し、選択酸化部2
8に導入される酸素量が過剰なときには、その過剰分に
応じた水素が酸化されるから、この分だけ水素量が減少
することになる。
In addition to 2 [mol / min] of carbon monoxide and (2 + α) [mol / min] of hydrogen, the shift reaction section 24 has 2
[Mol / min] water is supplied. Carbon monoxide and water supplied to the shift reaction unit 24 are converted into 2 by the reaction of the above formula (7).
It becomes [mol / min] carbon dioxide and 2 [mol / min] hydrogen, and (2 + α) [mol / min] hydrogen passes through the shift reaction section 24 as it is. Therefore, the selective oxidation unit 28
2 (mol / min) of carbon dioxide and (4 + α) [mol / min] of hydrogen are introduced into. The carbon monoxide concentration in the fuel gas introduced into the selective oxidation unit 28 is
It is extremely small compared to hydrogen concentration and carbon dioxide concentration,
The amounts of carbon dioxide and hydrogen supplied to the fuel cell 30 may be considered to be the same as those introduced into the selective oxidation section 28. Actually, the amount of carbon dioxide increases by the amount of carbon monoxide oxidized in the selective oxidation unit 28, and the selective oxidation unit 2
When the amount of oxygen introduced into 8 is excessive, hydrogen corresponding to the excessive amount is oxidized, so that the amount of hydrogen is reduced by this amount.

【0037】燃料電池30では、燃料電池30を構成す
る各セルで供給された燃料ガス中の(4−α)[モル/
分]の水素を上式(4)および(5)の電気化学反応に
より消費して発電し、2[モル/分]の二酸化炭素と2
α[モル/分]の水素とを排出する。
In the fuel cell 30, (4-α) [mol / in the fuel gas supplied in each cell constituting the fuel cell 30]
Min] hydrogen is consumed by the electrochemical reaction of the above formulas (4) and (5) to generate electricity, and 2 [mol / min] carbon dioxide and 2
The hydrogen of α [mol / min] is discharged.

【0038】ここで、改質反応部22に供給される水素
量α[モル/分]は、燃料電池30に供給される燃料ガ
ス中の水素量に対する燃料電池30で消費する水素量の
比である水素消費率Sを用いて次式(9)によって表わ
される。例えば、水素消費率Sが80%のときには、水
素量αは0.444[モル/分]となる。したがって、
改質器20により生成される水素量に対する燃料電池3
0により消費される水素量の比である水素利用率Rは、
次式(10)によって表わされる。例えば、水素消費率
Sが80%のときには水素利用率Rは88.9%とな
り、燃料電池30から排出される燃料ガス系の排ガスの
全量を燃焼部23に導入するタイプの水素利用率Rの8
0%に比し、水素をより効率よく用いることができる。
Here, the hydrogen amount α [mol / min] supplied to the reforming reaction section 22 is a ratio of the hydrogen amount consumed in the fuel cell 30 to the hydrogen amount in the fuel gas supplied to the fuel cell 30. It is expressed by the following equation (9) using a certain hydrogen consumption rate S. For example, when the hydrogen consumption rate S is 80%, the hydrogen amount α is 0.444 [mol / min]. Therefore,
Fuel cell 3 for the amount of hydrogen produced by the reformer 20
The hydrogen utilization rate R, which is the ratio of the amount of hydrogen consumed by 0, is
It is expressed by the following equation (10). For example, when the hydrogen consumption rate S is 80%, the hydrogen utilization rate R becomes 88.9%, and the hydrogen utilization rate R of the type in which the entire amount of the fuel gas system exhaust gas discharged from the fuel cell 30 is introduced into the combustion section 23. 8
Hydrogen can be used more efficiently than 0%.

【0039】 α=4(100−S)/(100+S) …(9) R={1−(α/4)}×100 …(10)Α = 4 (100−S) / (100 + S) (9) R = {1− (α / 4)} × 100 (10)

【0040】以上説明した実施例の燃料電池システム1
0によれば、燃料電池30から排出される燃料ガス系の
排ガスの一部を再利用することができる。しかも、燃料
ガス系の排ガスに含まれる水素が再び燃料電池30に供
給されるから、システムにおける水素利用率Rを高くす
ることができ、全体としてのエネルギ効率をより高くす
ることができる。
The fuel cell system 1 of the embodiment described above
According to 0, a part of the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30 can be reused. Moreover, since hydrogen contained in the exhaust gas of the fuel gas system is supplied to the fuel cell 30 again, the hydrogen utilization rate R in the system can be increased, and the energy efficiency as a whole can be further increased.

【0041】実施例の燃料電池システム10では、燃料
電池30を固体高分子型の燃料電池として構成したが、
固体高分子型に限られるものではなく、例えば、リン酸
型燃料電池など、水素を燃料とする燃料電池であれば如
何なる種類の燃料電池であってもよい。この場合、実施
例の燃料電池システム10では、改質器20が選択酸化
部28を備える構成としたが、燃料電池30が一酸化炭
素の許容濃度が高いタイプの燃料電池(例えば、リン酸
型燃料電池など)では、一酸化炭素濃度を極微量とする
必要がないから改質器20が選択酸化部28を備えない
構成としてもよい。選択酸化部28を備えない改質器で
は、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を検出する必要もない
ので、一酸化炭素センサ26も備える必要がない。
In the fuel cell system 10 of the embodiment, the fuel cell 30 is constructed as a polymer electrolyte fuel cell.
The fuel cell is not limited to the solid polymer type, and may be any type of fuel cell as long as it is a fuel cell using hydrogen as a fuel, such as a phosphoric acid type fuel cell. In this case, in the fuel cell system 10 of the embodiment, the reformer 20 is configured to include the selective oxidation unit 28. However, the fuel cell 30 is a fuel cell of a type having a high allowable concentration of carbon monoxide (for example, a phosphoric acid type). In a fuel cell or the like), it is not necessary to make the carbon monoxide concentration extremely small, and thus the reformer 20 may not have the selective oxidation unit 28. The reformer that does not include the selective oxidation unit 28 does not need to detect the carbon monoxide concentration in the fuel gas, and thus does not need to include the carbon monoxide sensor 26.

【0042】また、実施例の燃料電池システム10で
は、改質反応部22で生成される改質ガスの原料として
メタンを供給したが、エタンやプロパン等のパラフィン
系炭化水素を原料として供給する構成、エチレンやプロ
ピレン等のオレフィン系炭化水素またはアセチレン系炭
化水素あるいは芳香族炭化水素等を原料とする構成とし
てもよい。また、原料として単一の炭化水素を改質反応
部22に供給してもよく、あるいは、複数種の炭化水素
の混合ガスを改質反応部22に供給するものとしてもよ
い。例えば、メタンを主成分とする天然ガスをそのまま
供給するものとしてもよい。このように、メタン以外の
炭化水素を改質反応部22に供給する場合やメタンを含
め複数種の炭化水素の混合ガスを改質反応部22に供給
する場合、上式(6)ないし(8)に代えて、次式(1
1)ないし(13)により、改質反応部22に供給する
炭化水素量に対して当量となる二酸化炭素量を計算し、
この量となるよう燃料電池30から排出される燃料ガス
系の排ガスを供給することになる。
Further, in the fuel cell system 10 of the embodiment, methane is supplied as a raw material of the reformed gas generated in the reforming reaction section 22, but paraffin hydrocarbon such as ethane or propane is supplied as a raw material. Alternatively, it may be configured such that an olefinic hydrocarbon such as ethylene or propylene, an acetylene hydrocarbon, or an aromatic hydrocarbon is used as a raw material. Further, a single hydrocarbon may be supplied to the reforming reaction section 22 as a raw material, or a mixed gas of plural kinds of hydrocarbons may be supplied to the reforming reaction section 22. For example, natural gas containing methane as a main component may be supplied as it is. As described above, when a hydrocarbon other than methane is supplied to the reforming reaction section 22 or a mixed gas of a plurality of kinds of hydrocarbons including methane is supplied to the reforming reaction section 22, the above formulas (6) to (8) are used. ) Instead of the following formula (1
From 1) to (13), the amount of carbon dioxide equivalent to the amount of hydrocarbons supplied to the reforming reaction section 22 is calculated,
The fuel gas-type exhaust gas discharged from the fuel cell 30 is supplied so as to achieve this amount.

【0043】[0043]

【数4】 (Equation 4)

【0044】次に本発明の第2の実施例である燃料電池
システム10Bについて説明する。図3は、第2実施例
の燃料電池システム10Bの構成の概略を例示するブロ
ック図である。図示するように、第2実施例の燃料電池
システム10Bは、燃料ガス系の排ガスから水素を分離
する水素分離器50を備えること等を除き、第1実施例
の燃料電池システム10と同一の構成をしている。した
がって、第2実施例の燃料電池システム10Bの構成の
うち第1実施例の燃料電池システム10と同一の構成に
ついては同一の符号を付し、その説明は省略する。
Next, a fuel cell system 10B which is a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a block diagram illustrating the outline of the configuration of the fuel cell system 10B of the second embodiment. As shown in the figure, the fuel cell system 10B of the second embodiment has the same configuration as the fuel cell system 10 of the first embodiment except that it includes a hydrogen separator 50 that separates hydrogen from the exhaust gas of the fuel gas system. Are doing Therefore, of the constitutions of the fuel cell system 10B of the second embodiment, the same constitutions as those of the fuel cell system 10 of the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

【0045】第2実施例の燃料電池システム10Bが備
える水素分離器50は、排ガス供給管38により燃料電
池30と接続しており、燃料電池30から燃料ガス系の
排ガスの供給を受ける。また、水素分離器50は、水素
供給管52により、改質器20から燃料電池30に燃料
ガスを供給する燃料ガス供給管29と接続しており、燃
料ガス系の排ガスから分離した水素を、燃料ガス供給管
29内の燃料ガスに圧入するようになっている。水素分
離器50は、残ガス供給管54により改質器20の改質
反応部22に接続されており、この残ガス供給管54を
介して燃料ガス系の排ガスから水素を分離した残余のガ
ス(残ガス)を改質反応部22に供給する。残ガス供給
管54には、分岐管54Bが設けられており、残ガスの
うち改質反応部22で必要とする量以上の余剰のガス
が、この分岐管54Bにより外気に放出される。
The hydrogen separator 50 included in the fuel cell system 10B of the second embodiment is connected to the fuel cell 30 through the exhaust gas supply pipe 38, and receives the fuel gas system exhaust gas from the fuel cell 30. Further, the hydrogen separator 50 is connected to the fuel gas supply pipe 29 for supplying the fuel gas from the reformer 20 to the fuel cell 30 by the hydrogen supply pipe 52, and hydrogen separated from the exhaust gas of the fuel gas system is The fuel gas is injected into the fuel gas in the fuel gas supply pipe 29. The hydrogen separator 50 is connected to the reforming reaction section 22 of the reformer 20 by a residual gas supply pipe 54, and the residual gas obtained by separating hydrogen from the exhaust gas of the fuel gas system via the residual gas supply pipe 54. (Residual gas) is supplied to the reforming reaction section 22. The residual gas supply pipe 54 is provided with a branch pipe 54B, and an excess gas of the residual gas, which is equal to or more than the amount required by the reforming reaction section 22, is discharged to the outside air by the branch pipe 54B.

【0046】図4は、水素分離器50の構成の概略を例
示する説明図である。水素分離器50は、排ガス供給管
38から燃料ガス系の排ガスが導入される排ガス室50
aと、燃料ガス系の排ガスから水素が分離される水素室
50bと、排ガス室50aおよび水素室50bの隔壁を
なす水素透過膜50cとから構成される。水素透過膜5
0cは、パラジウム合金により厚さ50〜80μmの膜
状に形成されている。以下に、この水素透過膜50cに
よる水素分離の様子について図5を用いて説明する。
FIG. 4 is an explanatory view illustrating the outline of the configuration of the hydrogen separator 50. The hydrogen separator 50 is an exhaust gas chamber 50 into which the exhaust gas of the fuel gas system is introduced from the exhaust gas supply pipe 38.
a, a hydrogen chamber 50b for separating hydrogen from the exhaust gas of the fuel gas system, and a hydrogen permeable membrane 50c forming partition walls of the exhaust gas chamber 50a and the hydrogen chamber 50b. Hydrogen permeable membrane 5
0c is formed of a palladium alloy into a film having a thickness of 50 to 80 μm. The state of hydrogen separation by the hydrogen permeable membrane 50c will be described below with reference to FIG.

【0047】排ガス室50aに導入された排ガス中の水
素分子は、水素透過膜50cの表面で2個の水素原子に
解離し、水素透過膜50cに電子を放出すると共にプロ
トン(水素イオン)として吸蔵される。なお、こうした
パラジウム合金による水素の吸蔵はよく知られている。
水素透過膜50cに吸蔵されたプロトンは、排ガス室5
0aの水素濃度(水素分圧)と水素室50bの水素濃度
(水素分圧)との濃度差(分圧差)によって水素濃度の
高い方から低い方に水素透過膜50c内を移動する。い
ま、水素室50bの水素を水素供給管52により燃料電
池30へ供給して水素室50bの水素濃度を低くすれ
ば、プロトンは、排ガス室50a側から水素室50b側
へ水素透過膜50c内を移動する。水素透過膜50c内
を移動したプロトンは、水素透過膜50cの水素室50
b側表面で、反対側で放出した電子を得て水素原子とし
て水素透過膜50c表面に現われ、2個の水素原子がパ
ラジウム合金(水素透過膜50c)を触媒として水素分
子となり、水素透過膜50cから離れる。
Hydrogen molecules in the exhaust gas introduced into the exhaust gas chamber 50a are dissociated into two hydrogen atoms on the surface of the hydrogen permeable film 50c, releasing electrons to the hydrogen permeable film 50c and stored as protons (hydrogen ions). To be done. It is well known that hydrogen absorption by such a palladium alloy is well known.
The protons stored in the hydrogen permeable membrane 50c are stored in the exhaust gas chamber 5
Due to the concentration difference (partial pressure difference) between the hydrogen concentration (hydrogen partial pressure) of 0a and the hydrogen concentration (hydrogen partial pressure) of the hydrogen chamber 50b, the hydrogen permeable film 50c moves from the higher hydrogen concentration to the lower hydrogen concentration. Now, if hydrogen in the hydrogen chamber 50b is supplied to the fuel cell 30 through the hydrogen supply pipe 52 to reduce the hydrogen concentration in the hydrogen chamber 50b, protons pass through the hydrogen permeable membrane 50c from the exhaust gas chamber 50a side to the hydrogen chamber 50b side. Moving. The protons that have moved inside the hydrogen permeable membrane 50c are stored in the hydrogen chamber 50 of the hydrogen permeable membrane 50c.
On the b-side surface, electrons emitted on the opposite side are obtained and appear as hydrogen atoms on the surface of the hydrogen permeable membrane 50c, and two hydrogen atoms become hydrogen molecules using the palladium alloy (hydrogen permeable membrane 50c) as a catalyst, and the hydrogen permeable membrane 50c. Get away from.

【0048】こうした水素分離の原理から、水素分離器
50による水素分離の効率をアップするには、水素透過
膜50cと排ガスとの接触面積を大きくし、排ガス室5
0aの圧力を水素室50bに比して高くすればよいこと
が容易に解る。例えば、水素透過膜50cをパラジウム
合金により直径1mm程度のチューブ状に形成し、この
チューブに排ガスを圧送する構成とすることができる。
こうした場合、チューブの内側が排ガス室50aとな
り、チューブの外側が水素室50bとなる。
From this principle of hydrogen separation, in order to improve the efficiency of hydrogen separation by the hydrogen separator 50, the contact area between the hydrogen permeable membrane 50c and the exhaust gas should be increased so that the exhaust gas chamber 5
It is easily understood that the pressure of 0a should be set higher than that of the hydrogen chamber 50b. For example, the hydrogen permeable membrane 50c may be formed of a palladium alloy into a tube shape having a diameter of about 1 mm, and the exhaust gas may be pressure-fed to this tube.
In such a case, the inside of the tube becomes the exhaust gas chamber 50a, and the outside of the tube becomes the hydrogen chamber 50b.

【0049】次に、こうして構成された第2実施例の燃
料電池システム10Bの運転について説明する。なお、
基本的には、第1実施例の燃料電池システム10の運転
と同様であるから、同様の運転箇所についての詳細な説
明は省略する。
Next, the operation of the fuel cell system 10B of the second embodiment thus constructed will be described. In addition,
Since the operation is basically the same as the operation of the fuel cell system 10 of the first embodiment, detailed description of the same operation points will be omitted.

【0050】いま、第2実施例の燃料電池システム10
Bが、改質反応部22に供給されるメタン量が1[モル
/分]で燃料電池30から排出される燃料ガス系の排ガ
スに含まれる二酸化炭素量および水素がそれぞれ2[モ
ル/分]およびβ[モル/分]の定常運転状態にあると
する。改質反応部22には、メタンタンク12から1
[モル/分]のメタンと、残ガス供給管54を介して水
素分離器50から1[モル/分]の二酸化炭素とが供給
される。水素分離器50から供給される残ガスは、水素
分離器50で水素が分離されているから水素は含まれ
ず、二酸化炭素のみのガスとなる。実際は、水素分離器
50で排ガス中の水素の全量を完全に分離するのが困難
であることから、残ガスに若干の水素が混在する場合も
ある。
Now, the fuel cell system 10 of the second embodiment.
B indicates that the amount of methane supplied to the reforming reaction section 22 is 1 [mol / min] and the amount of carbon dioxide and hydrogen contained in the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30 are 2 [mol / min], respectively. And β [mol / min] in a steady operation state. In the reforming reaction section 22, one from the methane tank 12
[Mole / min] methane and 1 [mol / min] carbon dioxide are supplied from the hydrogen separator 50 through the residual gas supply pipe 54. The residual gas supplied from the hydrogen separator 50 does not contain hydrogen because hydrogen has been separated by the hydrogen separator 50, and is a gas containing only carbon dioxide. Actually, it is difficult to completely separate the total amount of hydrogen in the exhaust gas by the hydrogen separator 50, and thus some hydrogen may be mixed in the residual gas.

【0051】改質器20では、改質反応部22で上式
(6)の反応が、シフト反応部24で上式(7)の反応
が行なわれて、2[モル/分]の二酸化炭素と4[モル
/分]の水素が生成される。燃料ガス供給管29には、
水素分離器50で分離された燃料ガス系の排ガス中の水
素のβ[モル/分]が圧入されるから、燃料電池30に
は、2[モル/分]の二酸化炭素と(4+β)[モル/
分]の水素とが供給されることになる。燃料電池30で
は、こうした燃料ガス中の4[モル/分]の水素を発電
に用いて消費し、2[モル/分]の二酸化炭素とβ[モ
ル/分]の水素とを排出する。燃料電池30から排出さ
れた2[モル/分]の二酸化炭素とβ[モル/分]の水
素とは、前述したように、水素分離器50により分離さ
れて、β[モル/分]の水素は水素供給管52により燃
料ガス供給管29に圧入され、2[モル/分]の二酸化
炭素のうちの1[モル/分]は改質反応部22に供給さ
れ、残る1[モル/分]の二酸化炭素は、分岐管54B
から外気に排出される。
In the reformer 20, the reaction of the above equation (6) is carried out in the reforming reaction section 22 and the reaction of the above equation (7) is carried out in the shift reaction section 24, so that 2 [mol / min] of carbon dioxide is obtained. And 4 [mol / min] of hydrogen is produced. In the fuel gas supply pipe 29,
Since β [mol / min] of hydrogen in the exhaust gas of the fuel gas system separated by the hydrogen separator 50 is injected, 2 [mol / min] carbon dioxide and (4 + β) [mol] are injected into the fuel cell 30. /
Min] hydrogen will be supplied. In the fuel cell 30, 4 [mol / min] hydrogen in the fuel gas is used for power generation and consumed, and 2 [mol / min] carbon dioxide and β [mol / min] hydrogen are discharged. As described above, 2 [mol / min] carbon dioxide and β [mol / min] hydrogen discharged from the fuel cell 30 are separated by the hydrogen separator 50 to be β [mol / min] hydrogen. Is press-fitted into the fuel gas supply pipe 29 by the hydrogen supply pipe 52, 1 [mol / min] of 2 [mol / min] carbon dioxide is supplied to the reforming reaction part 22, and the remaining 1 [mol / min] Carbon dioxide of the branch pipe 54B
Is discharged to the outside air.

【0052】以上の運転により燃料電池30から排出さ
れる水素量βは、燃料電池30の水素消費率Sを用いて
示せば次式(14)となり、例えば、水素消費率Sが8
0%のときには、1[モル/分]となる。また、燃料電
池システム10Bの水素利用率Rは、改質器20により
生成される水素の全量が燃料電池30で消費されるから
100%となる。
The amount of hydrogen β discharged from the fuel cell 30 by the above operation is represented by the following equation (14) using the hydrogen consumption rate S of the fuel cell 30, and for example, the hydrogen consumption rate S is 8
When it is 0%, it becomes 1 [mol / min]. Further, the hydrogen utilization rate R of the fuel cell system 10B is 100% because the total amount of hydrogen produced by the reformer 20 is consumed by the fuel cell 30.

【0053】β=400/S−4 …(14)Β = 400 / S-4 (14)

【0054】なお、上述したように水素分離器50で排
ガス中の水素の全量を完全に分離するのが困難であるこ
とから、残ガスに若干の水素が混在する場合もあり、こ
の場合には、若干量の水素が二酸化炭素と共に改質反応
部22に供給され、若干量の水素が二酸化炭素と共に分
岐管54Bにより外気に排出されるから、水素利用率R
は100%にならない。この場合、分岐管54Bを改質
反応部22の燃焼部23に接続し、若干量の水素を燃焼
した後に外気に排出するものとするのが好ましい。
Since it is difficult to completely separate the total amount of hydrogen in the exhaust gas by the hydrogen separator 50 as described above, some hydrogen may be mixed in the residual gas. In this case, , A small amount of hydrogen is supplied to the reforming reaction section 22 together with carbon dioxide, and a small amount of hydrogen is discharged to the outside air through the branch pipe 54B together with carbon dioxide.
Does not reach 100%. In this case, it is preferable that the branch pipe 54B is connected to the combustion section 23 of the reforming reaction section 22, and a certain amount of hydrogen is burned and then discharged to the outside air.

【0055】以上説明した第2実施例の燃料電池システ
ム10Bによれば、燃料電池30から排出される燃料ガ
ス系の排ガス中の水素を分離して再び燃料電池30に燃
料として供給するから、燃料電池システム10における
水素の利用率を向上させることができ、全体としてのエ
ネルギ効率をより高めることができる。しかも、水素を
分離した後の残余のガス(残ガス)を改質器20の改質
反応部22に改質ガスを生成する原料として再利用する
ことができる。
According to the fuel cell system 10B of the second embodiment described above, the hydrogen in the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30 is separated and supplied again to the fuel cell 30 as a fuel. The utilization rate of hydrogen in the battery system 10 can be improved, and the energy efficiency as a whole can be further enhanced. Moreover, the residual gas (remaining gas) after hydrogen is separated can be reused as the raw material for generating the reformed gas in the reforming reaction section 22 of the reformer 20.

【0056】第2実施例では、燃料電池30から排出さ
れる燃料ガス系の排ガスの全量を水素分離器50に導入
して排ガス中の水素を分離したが、図6の燃料電池シス
テム10Cに示すように、排ガスの半分をそのまま改質
反応部22に供給し、残る半分を水素分離器55に導入
する構成としてもよい。なお、水素分離器55は、第2
実施例の燃料電池システム10Bが備える水素分離器5
0と同一の構成をしている。
In the second embodiment, the entire amount of the fuel gas-type exhaust gas discharged from the fuel cell 30 is introduced into the hydrogen separator 50 to separate the hydrogen in the exhaust gas, which is shown in the fuel cell system 10C of FIG. As described above, half of the exhaust gas may be directly supplied to the reforming reaction section 22, and the other half may be introduced into the hydrogen separator 55. The hydrogen separator 55 is the second
Hydrogen separator 5 included in the fuel cell system 10B of the embodiment
It has the same configuration as 0.

【0057】この燃料電池システム10Cでは、燃料電
池30から排出される燃料ガス系の排ガスの半分がその
まま改質反応部22に供給されるから、1[モル/分]
の二酸化炭素の供給に伴って(β/2)[モル/分]の
水素が供給されることになる。改質反応部22に供給さ
れた水素は、そのまま改質反応部22,シフト反応部2
4および選択酸化部28を通過するから、改質器20か
らは2[モル/分]の二酸化炭素と(4+β/2)[モ
ル/分]の水素とが燃料ガスとして供給されることにな
る。一方、水素分離器55は、導入された燃料ガス系の
排ガスの半分を(β/2)[モル/分]の水素と1[モ
ル/分]の二酸化炭素とに分離する。分離された水素は
水素供給管58により燃料ガス供給管29に圧入され、
二酸化炭素は排気管59により外気に排出される。した
がって、燃料電池30には、2[モル/分]の二酸化炭
素と(4+β)[モル/分]の水素とが供給されること
になる。
In this fuel cell system 10C, half of the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30 is directly supplied to the reforming reaction section 22, so that 1 [mol / min].
(Β / 2) [mol / min] hydrogen is supplied along with the supply of carbon dioxide. The hydrogen supplied to the reforming reaction section 22 is directly used for the reforming reaction section 22 and the shift reaction section 2
4 and the selective oxidation unit 28, the reformer 20 supplies 2 [mol / min] carbon dioxide and (4 + β / 2) [mol / min] hydrogen as fuel gas. . On the other hand, the hydrogen separator 55 separates half of the introduced exhaust gas of the fuel gas system into (β / 2) [mol / min] hydrogen and 1 [mol / min] carbon dioxide. The separated hydrogen is pressed into the fuel gas supply pipe 29 by the hydrogen supply pipe 58,
The carbon dioxide is discharged to the outside air through the exhaust pipe 59. Therefore, 2 [mol / min] carbon dioxide and (4 + β) [mol / min] hydrogen are supplied to the fuel cell 30.

【0058】以上説明した第2実施例の変形例である燃
料電池システム10Cによれば、水素分離器55で燃料
ガス系の排ガスの半分を分離すればよいから、全量を分
離する水素分離器50に比して小型化することができ
る。もとより、燃料電池システム10Cにおける水素利
用率Rを向上させ、エネルギ効率をより高くすることが
できる。
According to the fuel cell system 10C, which is a modified example of the second embodiment described above, only half of the exhaust gas of the fuel gas system needs to be separated by the hydrogen separator 55, so the hydrogen separator 50 for separating the entire amount. It can be made smaller than. Of course, the hydrogen utilization rate R in the fuel cell system 10C can be improved and the energy efficiency can be further increased.

【0059】次に本発明の第3の実施例である燃料電池
システム10Dについて説明する。図7は、第3実施例
の燃料電池システム10Dの構成の概略を例示するブロ
ック図である。図示するように、第3実施例の燃料電池
システム10Dは、燃料ガス系の排ガスから水素を分離
する水素分離器50に代えて燃料ガス系の排ガスから二
酸化炭素を分離する二酸化炭素分離器60を備える点を
除き、第2実施例の燃料電池システム10Bと同一の構
成をしている。したがって、第3実施例の燃料電池シス
テム10Dの構成のうち第2実施例の燃料電池システム
10Bと同一の構成については同一の符号を付し、その
説明は省略する。
Next, a fuel cell system 10D which is a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a block diagram illustrating the outline of the configuration of the fuel cell system 10D of the third embodiment. As shown in the figure, the fuel cell system 10D of the third embodiment includes a carbon dioxide separator 60 that separates carbon dioxide from a fuel gas exhaust gas, instead of the hydrogen separator 50 that separates hydrogen from a fuel gas exhaust gas. The fuel cell system 10B has the same configuration as that of the fuel cell system 10B of the second embodiment except that it is provided. Therefore, of the constitutions of the fuel cell system 10D of the third embodiment, the same constitutions as those of the fuel cell system 10B of the second embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

【0060】第3実施例の燃料電池システム10Dが備
える二酸化炭素分離器60は、排ガス供給管38により
燃料電池30と接続しており、燃料電池30から燃料ガ
ス系の排ガスの供給を受ける。また、二酸化炭素分離器
60は、二酸化炭素供給管66により、改質器20の改
質反応部22に接続されており、燃料ガス系の排ガスか
ら分離した二酸化炭素を改質反応部22に供給する。二
酸化炭素供給管66には、分岐管67が設けられてお
り、分離した二酸化炭素のうち改質反応部22で必要と
する量以上の余剰の二酸化炭素をこの分岐管67により
外気に放出する。二酸化炭素分離器60は、残ガス供給
管68により、改質器20から燃料電池30に燃料ガス
を供給する燃料ガス供給管29と接続しており、燃料ガ
ス系の排ガスから二酸化炭素を分離した後の残余のガス
(残ガス)を、燃料ガス供給管29内の燃料ガスに圧入
するようになっている。
The carbon dioxide separator 60 included in the fuel cell system 10D of the third embodiment is connected to the fuel cell 30 through the exhaust gas supply pipe 38 and receives the supply of the fuel gas system exhaust gas from the fuel cell 30. Further, the carbon dioxide separator 60 is connected to the reforming reaction section 22 of the reformer 20 by the carbon dioxide supply pipe 66, and supplies the carbon dioxide separated from the exhaust gas of the fuel gas system to the reforming reaction section 22. To do. A branch pipe 67 is provided in the carbon dioxide supply pipe 66, and excess carbon dioxide of the separated carbon dioxide in excess of the amount required by the reforming reaction section 22 is released to the outside air through the branch pipe 67. The carbon dioxide separator 60 is connected to the fuel gas supply pipe 29 that supplies the fuel gas from the reformer 20 to the fuel cell 30 through the residual gas supply pipe 68, and separates carbon dioxide from the exhaust gas of the fuel gas system. The remaining residual gas (residual gas) is press-fitted into the fuel gas in the fuel gas supply pipe 29.

【0061】図8は、二酸化炭素分離器60の構成の概
略を例示する説明図である。二酸化炭素分離器60は、
二酸化炭素を優先的に吸着するゼオライト(合成ゼオラ
イト:米国ユニオン・カーバイト社製 商品名「モレキ
ュラーシーブス」)が二酸化炭素吸着剤として充填され
た2個の吸着部62A,62Bと、この2個の吸着部6
2A,62Bと排ガス供給管38との配管に設けられた
流入バルブ63A,63Bと、吸着部62A,62Bと
二酸化炭素供給管66との配管に設けられた二酸化炭素
排出バルブ64A,64Bと、吸着部62A,62Bと
残ガス供給管68との配管に設けられた残ガス排出バル
ブ65A,65Bとを備える。
FIG. 8 is an explanatory view illustrating the outline of the configuration of the carbon dioxide separator 60. The carbon dioxide separator 60 is
Zeolite that preferentially adsorbs carbon dioxide (synthetic zeolite: trade name "Molecular Sieves" manufactured by Union Carbide Corp. in the United States) is filled with two adsorbents 62A and 62B as carbon dioxide adsorbents, and these two adsorbents 62A and 62B. Adsorption part 6
Inflow valves 63A and 63B provided in the pipes of 2A and 62B and the exhaust gas supply pipe 38, carbon dioxide discharge valves 64A and 64B provided in the pipes of the adsorption units 62A and 62B and the carbon dioxide supply pipe 66, and adsorption The residual gas discharge valves 65A and 65B provided in the pipes of the parts 62A and 62B and the residual gas supply pipe 68 are provided.

【0062】ゼオライトは、図9の二酸化炭素の吸着保
持量と温度との関係および図10の二酸化炭素の吸着保
持量と圧力との関係から解るように、温度を低くし圧力
を高くすると二酸化炭素の吸着保持量が大きくなり、温
度を高くし圧力を低くすると二酸化炭素の吸着保持量が
小さくなる。したがって、例えば、吸着部62Aの流入
バルブ63Aおよび残ガス排出バルブ65Aを開、二酸
化炭素排出バルブ64Aを閉とすると共に、吸着部62
Aの圧力を高くし温度を低くすれば、燃料ガス系の排ガ
ス中の二酸化炭素は、吸着部62Aに充填された二酸化
炭素吸着剤(ゼオライト)に吸着され、残ガス排出バル
ブ65Aからは二酸化炭素を含まない残ガス、即ち燃料
電池システム10では水素が排出される。こうして排ガ
ス中の二酸化炭素を二酸化炭素吸着剤に吸着させた後
に、吸着部62Aの流入バルブ63Aおよび残ガス排出
バルブ65Aを閉、二酸化炭素排出バルブ64Aを開と
すると共に、吸着部62Aの圧力を低くし温度を高くす
れば、二酸化炭素吸着剤に吸着された二酸化炭素は、二
酸化炭素吸着剤から離脱して二酸化炭素排出バルブ64
Aから排出される。
As can be seen from the relationship between the adsorption / retention amount of carbon dioxide and temperature in FIG. 9 and the relationship between the adsorption / retention amount of carbon dioxide and pressure in FIG. The amount of adsorbed and retained carbon dioxide increases, and the amount of adsorbed and retained carbon dioxide decreases when the temperature is raised and the pressure is lowered. Therefore, for example, the inflow valve 63A and the residual gas exhaust valve 65A of the adsorption unit 62A are opened, and the carbon dioxide exhaust valve 64A is closed, and at the same time, the adsorption unit 62A.
If the pressure of A is increased and the temperature is lowered, carbon dioxide in the exhaust gas of the fuel gas system is adsorbed by the carbon dioxide adsorbent (zeolite) filled in the adsorption part 62A, and carbon dioxide is discharged from the residual gas discharge valve 65A. Residual gas not containing hydrogen, that is, hydrogen is discharged in the fuel cell system 10. After the carbon dioxide in the exhaust gas is adsorbed by the carbon dioxide adsorbent in this way, the inflow valve 63A and the residual gas exhaust valve 65A of the adsorption part 62A are closed, the carbon dioxide exhaust valve 64A is opened, and the pressure of the adsorption part 62A is adjusted. When the temperature is lowered and the temperature is raised, the carbon dioxide adsorbed on the carbon dioxide adsorbent is released from the carbon dioxide adsorbent and the carbon dioxide exhaust valve 64
Emitted from A.

【0063】実施例の二酸化炭素分離器60では、2個
の吸着部62A,62Bのうち、一方の吸着部の流入バ
ルブおよび残ガス排出バルブを開,二酸化炭素排出バル
ブを閉とすると共にその圧力を高くし温度を低くして充
填された二酸化炭素吸着剤で排ガス中の二酸化炭素を吸
着すると同時に、他方の吸着部の流入バルブおよび残ガ
ス排出バルブを閉,二酸化炭素排出バルブを開とすると
共にその圧力を低くし温度を高くして充填された二酸化
炭素吸着剤に吸着した二酸化炭素を離脱させて改質反応
部22に供給する。そして、所定時間経過したときに、
二酸化炭素の離脱を行なう吸着部と、二酸化炭素の吸着
を行なう吸着部とを切り換えるよう各バルブの操作およ
び各吸着部の圧力の調整,温度の調整を行なう。このよ
うに二酸化炭素分離器60では、2個の吸着部62A,
62Bを交互に二酸化炭素の吸着および離脱に使用する
から、燃料ガス系の排ガス中の二酸化炭素を連続して分
離することができる。
In the carbon dioxide separator 60 of the embodiment, the inflow valve and the residual gas exhaust valve of one of the two adsorbing parts 62A and 62B are opened, and the carbon dioxide exhaust valve is closed and the pressure of the adsorbing part is closed. At the same time as adsorbing carbon dioxide in the exhaust gas with the carbon dioxide adsorbent filled at a high temperature and a low temperature, the inlet valve and residual gas exhaust valve of the other adsorption part are closed and the carbon dioxide exhaust valve is opened. The pressure is lowered and the temperature is raised to release the carbon dioxide adsorbed by the filled carbon dioxide adsorbent and supply it to the reforming reaction section 22. Then, when a predetermined time has passed,
The operation of each valve and the adjustment of the pressure and temperature of each adsorption part are performed so as to switch between the adsorption part that desorbs carbon dioxide and the adsorption part that adsorbs carbon dioxide. Thus, in the carbon dioxide separator 60, the two adsorption parts 62A,
Since 62B is alternately used for adsorption and desorption of carbon dioxide, carbon dioxide in the exhaust gas of the fuel gas system can be continuously separated.

【0064】こうして構成された第3実施例の燃料電池
システム10Dの運転は、水素分離器50に代えて二酸
化炭素分離器60を運転する点を除き、第2実施例の燃
料電池システム10Bの運転と同様である。二酸化炭素
分離器60の運転は、燃料ガス系の排ガスから二酸化炭
素を分離する点で燃料ガス系の排ガスから水素を分離す
る第2実施例の水素分離器50と相違するが、燃料ガス
系の排ガスの主成分が二酸化炭素と水素であることか
ら、これらの一方の分離は他方の分離と同じ結果ととな
る。したがって、第3実施例の燃料電池システム10D
の定常運転状態における各部のガスの主成分の比は、第
2実施例の燃料電池システム10Bの定常運転状態にお
ける各部のガスの主成分の比と同じになる。したがっ
て、第3実施例の10Dでも、第2実施例の燃料電池シ
ステム10Bと同様に、燃料電池30から排出される燃
料ガス系の排ガス中の水素量βは、上式(14)により
表わされ、例えば、燃料電池30の水素消費率Sが80
%のときには、1[モル/分]となり、燃料電池システ
ム10Dの水素利用率Rは100%となる。
The operation of the fuel cell system 10D of the third embodiment thus constructed is the operation of the fuel cell system 10B of the second embodiment except that the carbon dioxide separator 60 is operated in place of the hydrogen separator 50. Is the same as. The operation of the carbon dioxide separator 60 is different from that of the hydrogen separator 50 of the second embodiment which separates hydrogen from the exhaust gas of the fuel gas system in that carbon dioxide is separated from the exhaust gas of the fuel gas system, Since the main components of the exhaust gas are carbon dioxide and hydrogen, the separation of one of them has the same result as the separation of the other. Therefore, the fuel cell system 10D of the third embodiment
The ratio of the main components of the gas in each part in the steady operation state is the same as the ratio of the main components of the gas in each part in the steady operation state of the fuel cell system 10B of the second embodiment. Therefore, also in 10D of the third embodiment, as in the fuel cell system 10B of the second embodiment, the hydrogen amount β in the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30 is expressed by the above formula (14). And, for example, the hydrogen consumption rate S of the fuel cell 30 is 80
When it is%, it becomes 1 [mol / min], and the hydrogen utilization rate R of the fuel cell system 10D becomes 100%.

【0065】なお、二酸化炭素分離器60の吸着部62
A,62Bで完全に二酸化炭素を吸着させ水素のみを残
ガス供給管により燃料ガス供給管29に圧入することが
困難であること、二酸化炭素の吸着を行なっている吸着
部を二酸化炭素の離脱を行なうよう切り換える際に吸着
部内の水素が二酸化炭素と共に改質反応部22に供給さ
れること等により、実際は、若干の二酸化炭素が水素と
共に残ガス供給管68により燃料ガス供給管29に圧入
され、若干の水素が二酸化炭素と共に改質反応部22に
供給されるから、燃料電池システム10Dにおける水素
利用率Rは、100%を若干下回ることになる。なお、
この場合、分岐管67を改質反応部22の燃焼部23に
接続し、混在する水素を燃焼した後に外気に排出するも
のとするのが好ましい。
The adsorption part 62 of the carbon dioxide separator 60
It is difficult to completely adsorb carbon dioxide at A and 62B and to press only hydrogen into the fuel gas supply pipe 29 through the residual gas supply pipe. It is necessary to remove carbon dioxide from the adsorption portion that adsorbs carbon dioxide. Since hydrogen in the adsorption unit is supplied to the reforming reaction unit 22 together with carbon dioxide when switching to the operation, some carbon dioxide is actually injected together with hydrogen into the fuel gas supply pipe 29 by the residual gas supply pipe 68, Since some hydrogen is supplied to the reforming reaction section 22 together with carbon dioxide, the hydrogen utilization rate R in the fuel cell system 10D is slightly below 100%. In addition,
In this case, it is preferable that the branch pipe 67 is connected to the combustion section 23 of the reforming reaction section 22, and the mixed hydrogen is burned and then discharged to the outside air.

【0066】以上説明した第3実施例の燃料電池システ
ム10Dによれば、燃料電池30から排出される燃料ガ
ス系の排ガス中の二酸化炭素を分離して改質器20の改
質反応部22に改質ガスを生成する原料として再利用す
ることができる。しかも、二酸化炭素を分離した後の残
余のガス(残ガス)を再び燃料電池30に燃料として供
給するから、改質器20により生成した水素の燃料電池
30による利用率を向上させることができ、全体として
のエネルギ効率をより高めることができる。
According to the fuel cell system 10D of the third embodiment described above, the carbon dioxide in the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell 30 is separated and is fed to the reforming reaction section 22 of the reformer 20. It can be reused as a raw material for producing the reformed gas. Moreover, since the residual gas (remaining gas) after separating the carbon dioxide is supplied again to the fuel cell 30 as fuel, the utilization rate of hydrogen generated by the reformer 20 by the fuel cell 30 can be improved, The energy efficiency as a whole can be further improved.

【0067】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるも
のではなく、例えば、第2実施例の燃料電池システム1
0Bやその変形例の燃料電池システム10C,第3実施
例の燃料電池システム10Dの改質器20の改質反応部
22に原料としてエタンやプロパン等のパラフィン系炭
化水素を原料として供給する構成、エチレンやプロピレ
ン等のオレフィン系炭化水素またはアセチレン系炭化水
素あるいは芳香族炭化水素等を原料とする構成、複数種
の炭化水素の混合ガスを供給する構成など、本発明の要
旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し
得ることは勿論である。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. For example, the fuel cell system 1 according to the second embodiment.
0B and its modified fuel cell system 10C, and the fuel cell system 10D of the third embodiment, the reforming reaction section 22 of the reformer 20 is supplied with paraffinic hydrocarbon such as ethane or propane as a raw material. Within a range not departing from the gist of the present invention, such as a constitution using olefin hydrocarbons such as ethylene and propylene or acetylene hydrocarbons or aromatic hydrocarbons as a raw material, a constitution for supplying a mixed gas of plural kinds of hydrocarbons, etc. Of course, it can be implemented in various forms.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の好適な一実施例である燃料電池システ
ム10の構成の概略を例示するブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system 10 that is a preferred embodiment of the present invention.

【図2】燃料電池30を構成する各セルの構成の概略を
例示する説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the outline of the configuration of each cell that constitutes the fuel cell 30.

【図3】第2実施例の燃料電池システム10Bの構成の
概略を例示するブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system 10B according to a second embodiment.

【図4】水素分離器50の構成の概略を例示する説明図
である。
FIG. 4 is an explanatory view illustrating the outline of the configuration of a hydrogen separator 50.

【図5】水素分離の様子を説明する説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a state of hydrogen separation.

【図6】第2実施例の変形例である燃料電池システム1
0Cの構成の概略を例示するブロック図である。
FIG. 6 is a fuel cell system 1 which is a modification of the second embodiment.
It is a block diagram which illustrates the outline of a structure of 0C.

【図7】第3実施例の燃料電池システム10Dの構成の
概略を例示するブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system 10D according to a third embodiment.

【図8】二酸化炭素分離器60の構成の概略を例示する
説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating the schematic configuration of a carbon dioxide separator 60.

【図9】吸着部62A,62Bに充填されるゼオライト
の二酸化炭素の吸着保持量と温度との関係を例示するグ
ラフである。
FIG. 9 is a graph exemplifying the relationship between the adsorption holding amount of carbon dioxide of zeolite filled in the adsorption units 62A and 62B and the temperature.

【図10】吸着部62A,62Bに充填されるゼオライ
トの二酸化炭素の吸着保持量と圧力との関係を例示する
グラフである。
FIG. 10 is a graph exemplifying the relationship between the adsorption holding amount of carbon dioxide of the zeolite filled in the adsorption portions 62A and 62B and the pressure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…燃料電池システム 10B…燃料電池システム 10C…燃料電池システム 10D…燃料電池システム 12…メタンタンク 14…水タンク 20…改質器 22…改質反応部 23…燃焼部 24…シフト反応部 26…一酸化炭素センサ 27…ブロワ 28…選択酸化部 29…燃料ガス供給管 30…燃料電池 31…電解質膜 32…アノード 33…カソード 34,35…セパレータ 36,37…集電板 38…排ガス供給管 38B…分岐管 40…電子制御ユニット 42…CPU 44…ROM 46…RAM 48…入出力ポート 50…水素分離器 50a…排ガス室 50b…水素室 50c…水素透過膜 52…水素供給管 54…残ガス供給管 54B…分岐管 55…水素分離器 58…水素供給管 59…排気管 60…二酸化炭素分離器 62A,62B…吸着部 63A,63B…流入バルブ 64A,64B…二酸化炭素排出バルブ 65A,65B…残ガス排出バルブ 66…二酸化炭素供給管 67…分岐管 68…残ガス供給管 10 ... Fuel cell system 10B ... Fuel cell system 10C ... Fuel cell system 10D ... Fuel cell system 12 ... Methane tank 14 ... Water tank 20 ... Reformer 22 ... Reforming reaction part 23 ... Combustion part 24 ... Shift reaction part 26 ... Carbon monoxide sensor 27 ... Blower 28 ... Selective oxidation part 29 ... Fuel gas supply pipe 30 ... Fuel cell 31 ... Electrolyte membrane 32 ... Anode 33 ... Cathode 34, 35 ... Separator 36, 37 ... Current collector plate 38 ... Exhaust gas supply pipe 38B ... Branch pipe 40 ... Electronic control unit 42 ... CPU 44 ... ROM 46 ... RAM 48 ... Input / output port 50 ... Hydrogen separator 50a ... Exhaust gas chamber 50b ... Hydrogen chamber 50c ... Hydrogen permeable membrane 52 ... Hydrogen supply pipe 54 ... Residual gas supply Pipe 54B ... Branch pipe 55 ... Hydrogen separator 58 ... Hydrogen supply pipe 59 ... Exhaust pipe 60 ... Carbon dioxide separator 62 , 62B ... adsorption unit 63A, 63B ... inlet valve 64A, 64B ... carbon dioxide exhaust valve 65A, 65B ... residual gas exhaust valve 66 ... carbon dioxide supply tube 67 ... branch pipes 68 ... residual gas supply pipe

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 炭化水素と二酸化炭素とから水素と一酸
化炭素とを主成分とする中間ガスを生成する第1反応部
と、該生成した中間ガスと水とから水素と二酸化炭素と
を主成分とする燃料ガスを生成する第2反応部とを有す
る炭化水素改質器と、 該炭化水素改質器により生成した燃料ガスの供給を受
け、該燃料ガス中の水素を燃料として発電する燃料電池
と、 を備える燃料電池システムであって、 前記燃料電池から排出される燃料ガス系の排ガスの少な
くとも一部を、前記炭化水素改質器が有する前記第1反
応部に前記中間ガスを生成する原料の一部として供給す
る排ガス供給手段を備える燃料電池システム。
1. A first reaction part for producing an intermediate gas containing hydrogen and carbon monoxide as main components from a hydrocarbon and carbon dioxide, and mainly producing hydrogen and carbon dioxide from the produced intermediate gas and water. A hydrocarbon reformer having a second reaction part for producing a fuel gas as a component, and a fuel for receiving the fuel gas produced by the hydrocarbon reformer and generating electricity using hydrogen in the fuel gas as a fuel A fuel cell system comprising: a battery, wherein at least a part of a fuel gas-type exhaust gas discharged from the fuel cell is generated in the first reaction section of the hydrocarbon reformer. A fuel cell system comprising an exhaust gas supply means for supplying as a part of a raw material.
【請求項2】 請求項1記載の燃料電池システムであっ
て、 前記燃料電池から排出される燃料ガス系の排ガスから水
素を分離する水素分離手段と、 該分離された水素を前記燃料電池に燃料として供給する
水素供給手段とを備え、 前記排ガス供給手段は、前記水素分離手段により水素が
分離された残余のガスの少なくとも一部を、前記炭化水
素改質器が有する前記第1反応部に前記中間ガスを生成
する原料の一部として供給する手段である燃料電池シス
テム。
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein hydrogen separating means separates hydrogen from exhaust gas of a fuel gas system discharged from the fuel cell, and the separated hydrogen is supplied to the fuel cell as fuel. The exhaust gas supply means supplies at least a part of the residual gas in which hydrogen has been separated by the hydrogen separation means to the first reaction section of the hydrocarbon reformer. A fuel cell system that is a means of supplying an intermediate gas as a part of a raw material for producing.
【請求項3】 請求項1記載の燃料電池システムであっ
て、 前記排ガス供給手段により前記炭化水素改質器が有する
前記第1反応部に供給されなかった残余の排ガスから水
素を分離する水素分離手段と、 該分離された水素を前記燃料電池に燃料として供給する
水素供給手段とを備える燃料電池システム。
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the exhaust gas supply means separates hydrogen from residual exhaust gas not supplied to the first reaction section of the hydrocarbon reformer. A fuel cell system comprising means and hydrogen supply means for supplying the separated hydrogen as fuel to the fuel cell.
【請求項4】 請求項1記載の燃料電池システムであっ
て、 前記燃料電池から排出される燃料ガス系の排ガスから二
酸化炭素を分離する二酸化炭素分離手段を備え、 前記排ガス供給手段は、該二酸化炭素分離手段により分
離された二酸化炭素の少なくとも一部を、前記炭化水素
改質器が有する前記第1反応部に前記中間ガスを生成す
る原料の一部として供給する手段である燃料電池システ
ム。
4. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a carbon dioxide separation unit that separates carbon dioxide from the exhaust gas of the fuel gas system discharged from the fuel cell, wherein the exhaust gas supply unit includes the carbon dioxide. A fuel cell system which is a means for supplying at least a part of carbon dioxide separated by a carbon separating means to the first reaction section of the hydrocarbon reformer as a part of a raw material for producing the intermediate gas.
【請求項5】 前記二酸化炭素分離手段により二酸化炭
素が分離された残余のガスを前記燃料電池に燃料として
供給する残余ガス供給手段を備える請求項4記載の燃料
電池システム。
5. The fuel cell system according to claim 4, further comprising residual gas supply means for supplying the residual gas, from which carbon dioxide has been separated by the carbon dioxide separation means, as fuel to the fuel cell.
【請求項6】 前記炭化水素改質器は、前記燃料ガス中
の一酸化炭素を選択的に酸化して二酸化炭素とする選択
酸化反応部を備える請求項1ないし5いずれか記載の燃
料電池システム。
6. The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrocarbon reformer includes a selective oxidation reaction unit that selectively oxidizes carbon monoxide in the fuel gas into carbon dioxide. .
【請求項7】 前記炭化水素は、メタンである請求項1
ないし6いずれか記載の燃料電池システム。
7. The hydrocarbon is methane.
7. The fuel cell system according to any one of 6 to 6.
【請求項8】 前記炭化水素は、炭素数の異なる複数の
化合物を含むガスである請求項1ないし6いずれか記載
の燃料電池システム。
8. The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrocarbon is a gas containing a plurality of compounds having different carbon numbers.
【請求項9】 炭化水素と二酸化炭素とから水素と一酸
化炭素とを主成分とする中間ガスを生成する第1反応部
と、該生成した中間ガスと水とから水素と二酸化炭素と
を主成分とする燃料ガスを生成する第2反応部とを有す
る炭化水素改質器と、 該炭化水素改質器により生成した燃料ガスの供給を受
け、該燃料ガス中の水素を燃料として発電する燃料電池
とを備える燃料電池システムの運転方法であって、 前記燃料電池から排出される燃料ガス系の排ガスの少な
くとも一部を、前記炭化水素改質器が有する前記第1反
応部に前記中間ガスを生成する原料の一部として供給す
る燃料電池システムの運転方法。
9. A first reaction part for producing an intermediate gas containing hydrogen and carbon monoxide as main components from hydrocarbon and carbon dioxide, and hydrogen and carbon dioxide mainly from the produced intermediate gas and water. A hydrocarbon reformer having a second reaction part for producing a fuel gas as a component, and a fuel for receiving the fuel gas produced by the hydrocarbon reformer and generating electricity using hydrogen in the fuel gas as a fuel A method of operating a fuel cell system including a battery, wherein at least a part of the exhaust gas of a fuel gas system discharged from the fuel cell is supplied to the first reaction section of the hydrocarbon reformer with the intermediate gas. A method of operating a fuel cell system, which is supplied as a part of the raw material produced.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103618099A (en) * 2013-11-18 2014-03-05 上海合既得动氢机器有限公司 System and method forpower generation by using instantly prepared hydrogen
US8871422B2 (en) 2005-09-22 2014-10-28 Hitachi Chemical Dupont Microsystems Ltd. Negative-type photosensitive resin composition, pattern forming method and electronic parts
JP2016175818A (en) * 2015-03-23 2016-10-06 住友精化株式会社 Method for producing hydrogen and hydrogen production system
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