JPH11307112A - Solid polymer electrolyte type fuel cell power generation device - Google Patents

Solid polymer electrolyte type fuel cell power generation device

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JPH11307112A
JPH11307112A JP10105080A JP10508098A JPH11307112A JP H11307112 A JPH11307112 A JP H11307112A JP 10105080 A JP10105080 A JP 10105080A JP 10508098 A JP10508098 A JP 10508098A JP H11307112 A JPH11307112 A JP H11307112A
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JP
Japan
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reformer
methanol
fuel cell
polymer electrolyte
solid polymer
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Application number
JP10105080A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Minoru Mizusawa
実 水澤
Sakae Chijiiwa
栄 千々岩
Takenori Watabe
武憲 渡部
Yasuaki Yamanaka
康朗 山中
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IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH11307112A publication Critical patent/JPH11307112A/en
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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01BBOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01B1/005Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form an entire system into a compact size in order to use a solid polymer electrolyte type fuel cell as a power source of an automobile and enhance the load response. SOLUTION: A reformer 26 is so structured as to have the function of a shift converter by using a reforming catalyst having high low-temperature activity and making it operable at the same temperature as the operation temperature of a shift converter, so that the shift converter is omitted and the system is formed into a compact size. In addition, its load responsiveness is improved by using a heat medium 30 having a large heat capacity as compared with gas for heating the reformer 26. The compaction of the system is realized by composing a composite heat exchanger 33 by integrating a heating part 34 of the heat medium 30, a methanol evaporating part 35 and a steam generation part 36.

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】本発明は燃料の有する化学エ
ネルギーを直接電気エネルギーに変換するエネルギー部
門で用いる燃料電池のうち、固体高分子電解質型燃料電
池の発電装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power generator for a solid polymer electrolyte fuel cell, among fuel cells used in the energy sector which directly converts chemical energy of fuel into electric energy.

【0002】[0002]

【従来の技術】自動車、船舶、宇宙船等の動力源として
燃料電池を用いることの検討が進められているが、メタ
ノールを原料とする固体高分子電解質型燃料電池は、1
00℃以下という低温で発電が行われ、出力密度が高
く、低温で作動するので、電池構成材料の劣化が少ない
こと、起動が容易であること、等の長所があることか
ら、特に、自動車等の輸送体の動力源として有効とされ
ている。
2. Description of the Related Art The use of fuel cells as power sources for automobiles, ships, spacecrafts, and the like has been studied.
Since power is generated at a low temperature of 00 ° C or less, the output density is high, and the device operates at a low temperature, it has advantages such as less deterioration of battery constituent materials and easy start-up. Is effective as a power source for transport vehicles.

【0003】固体高分子電解質型燃料電池の基本的構成
は、固体高分子電解質膜の両面を、白金等の貴金属を触
媒とする多孔質のカソード(酸素極)とアノード(燃料
極)の両ガス拡散電極で挟んで重ね合わせてなるものを
セルとし、該セルをセパレータを介し積層してスタック
とするようにし、各セパレータの表裏両面にガス通路を
形成して、カソード側には酸化剤ガスをガス通路を通し
て給排させるようにし、又、アノード側には燃料ガスを
ガス通路を通して給排させるようにし、更に、燃料電池
の反応が発熱反応であることから、数セルに1つずつの
冷却部が設けられている構成となっている。
[0003] The basic structure of a solid polymer electrolyte fuel cell is that both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane are coated with both a porous cathode (oxygen electrode) and an anode (fuel electrode) using a noble metal such as platinum as a catalyst. A cell is formed by being sandwiched between diffusion electrodes to form a cell, the cells are stacked via a separator to form a stack, gas passages are formed on both front and back surfaces of each separator, and an oxidizing gas is supplied to the cathode side. The gas is supplied and discharged through the gas passage, and the fuel gas is supplied and discharged through the gas passage on the anode side. Further, since the reaction of the fuel cell is an exothermic reaction, one cooling unit is provided for every several cells. Is provided.

【0004】かかる構成の固体高分子電解質型燃料電池
を用いた発電装置としては、従来、図3に示す如きシス
テム構成のものがある。すなわち、固体高分子電解質膜
1の両面をカソード2とアノード3の両ガス拡散電極で
挟持させてなるセルをセパレータを介して積層してスタ
ックとし、且つ数セルに1つずつの冷却部4を備えてな
る固体高分子電解質型燃料電池Iのアノード3入口側
に、改質器5、熱交換器6、シフトコンバータ7、CO
除去器8を、上流側から下流側へ順に設置し、メタノー
ルタンク9から供給される原料としてのメタノールを、
メタノール蒸発器10を経て改質器5に導入させるよう
にメタノール供給ライン11を設け、一方、水タンク1
2からの水の一部を蒸気発生器13で水蒸気にして送る
水蒸気ライン14を上記メタノール供給ライン11に接
続してメタノールと水蒸気を上記改質器5に導入して水
蒸気改質を行わせるようにすると共に、水の他の一部
を、冷却用として熱交換器6とCO除去器8を通過させ
るようにし、上記改質器5で改質された燃料ガスFG
を、熱交換器6で上記水タンク12からの冷却水により
冷却した後、200℃で運転されるシフトコンバータ7
でシフト反応を行って、固体高分子電解質型燃料電池I
の触媒毒となる一酸化炭素(CO)の濃度をCO除去器
8が処理可能な濃度(1%以下)に低減するようにす
る。150℃で運転されるCO除去器8でCO除去処理
された燃料ガスFGが加湿器15を経て固体高分子電解
質型燃料電池Iのアノード3へ供給するようにしてあ
る。一方、固体高分子電解質型燃料電池Iのカソード2
の入口側には、酸化剤ガスとして空気Aをターボチャー
ジャ16のコンプレッサ17で圧縮して加湿器15を経
て供給するようにすると共に、一部を分岐してCO除去
器8に入れてCOの燃焼に用いるようにしてあり、又、
上記カソード2から排出されたカソード排ガスCGの全
量と、アノード3から排出されたアノード排ガスAGの
一部を、燃焼器19で燃焼させた後、改質器5の燃焼室
に導入して、該改質器5の改質室内のメタノールを改質
触媒の存在下で250℃になるように熱を吸熱して反応
させることにより燃料ガスFGに改質するようにしてあ
る。
As a power generator using a solid polymer electrolyte fuel cell having such a configuration, there is a conventional system configuration as shown in FIG. That is, a cell in which both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 1 are sandwiched between the gas diffusion electrodes of the cathode 2 and the anode 3 is stacked with a separator interposed therebetween to form a stack, and one cooling unit 4 is provided for every several cells. A reformer 5, a heat exchanger 6, a shift converter 7, a CO
The remover 8 is installed in order from the upstream side to the downstream side, and methanol as a raw material supplied from the methanol tank 9 is
A methanol supply line 11 is provided so as to be introduced into the reformer 5 via a methanol evaporator 10, while a water tank 1 is provided.
A steam line 14 for sending a part of the water from 2 into steam by a steam generator 13 is connected to the methanol supply line 11 so that methanol and steam are introduced into the reformer 5 to perform steam reforming. At the same time, another part of the water is passed through the heat exchanger 6 and the CO remover 8 for cooling, and the fuel gas FG reformed in the reformer 5
Is cooled by the heat exchanger 6 with the cooling water from the water tank 12, and then the shift converter 7 is operated at 200 ° C.
To carry out a shift reaction in the solid polymer electrolyte fuel cell I
The concentration of carbon monoxide (CO), which is a catalyst poison, is reduced to a concentration (1% or less) that the CO remover 8 can process. The fuel gas FG that has been subjected to the CO removal treatment by the CO remover 8 operated at 150 ° C. is supplied to the anode 3 of the solid polymer electrolyte fuel cell I via the humidifier 15. On the other hand, the cathode 2 of the solid polymer electrolyte fuel cell I
At the inlet side, air A as an oxidizing gas is compressed by the compressor 17 of the turbocharger 16 and supplied through the humidifier 15, and a part of the air A is branched into the CO remover 8 and CO is removed. It is used for combustion, and
After the entire amount of the cathode exhaust gas CG discharged from the cathode 2 and a part of the anode exhaust gas AG discharged from the anode 3 are burned in a combustor 19, they are introduced into a combustion chamber of a reformer 5. Methanol in the reforming chamber of the reformer 5 is heated to 250 ° C. in the presence of the reforming catalyst to absorb heat and react to reform the fuel gas FG.

【0005】又、改質器5の燃焼室より排出された排ガ
スは、アノード3から排出されたアノード排ガスAGの
一部とともに燃焼器20で燃焼させられた後にタービン
18に導いて上記コンプレッサ17を駆動させるように
し、タービン18から排出された排気ガスは蒸気発生器
13、メタノール蒸発器10を通して排気ガスとして排
出させるようにしてある。更に、上記水タンク12から
の冷却水の一部は、加湿器15を経て固体高分子電解質
型燃料電池Iの冷却部4を通過させられるようにしてあ
り、該冷却部4を通過させられた冷却水は、冷却器21
で冷却されて水タンク12へ入れられるようにしてあ
り、又、カソード排ガスライン22中の気水分離器23
及びアノード排ガスライン24中の気水分離器25で各
々分離された水は、上記熱交換器6及びCO除去器8を
通過した水とともに水タンク12へ戻されるようにして
ある。
The exhaust gas discharged from the combustion chamber of the reformer 5 is combusted in a combustor 20 together with a part of the anode exhaust gas AG discharged from the anode 3 and then guided to a turbine 18 for the compressor 17. The exhaust gas discharged from the turbine 18 is driven through the steam generator 13 and the methanol evaporator 10 to be discharged as exhaust gas. Further, a part of the cooling water from the water tank 12 is allowed to pass through the cooling section 4 of the solid polymer electrolyte fuel cell I via the humidifier 15 and passed through the cooling section 4. The cooling water is supplied to the cooler 21
And cooled into the water tank 12, and a steam-water separator 23 in the cathode exhaust gas line 22.
The water separated by the steam separator 25 in the anode exhaust gas line 24 is returned to the water tank 12 together with the water passed through the heat exchanger 6 and the CO remover 8.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところが、燃料電池を
自動車等の輸送体の動力源として使用する場合は、燃料
電池発電装置のコンパクト化と負荷応答性が要求される
が、上記固体高分子電解質型燃料電池発電装置の場合、
アノード3から排出されたアノード排ガスAGは、改質
器5での吸熱反応に必要な熱を得るため燃焼器19で燃
焼させるようにしてあり、負荷変動が生じて改質器5で
改質するガスの量、アノード3での燃料利用率が変動す
るようなことがあっても、これに柔軟に対処できるよう
にはなっておらず、又、原料としてのメタノールを改質
器5で改質して燃料ガスFGとしてアノード3に供給す
るラインには、燃料ガスを冷却するための熱交換器6や
シフトコンバータ7、CO除去器8が配設されていると
共に、メタノール蒸発器10、蒸気発生器13も別置き
となっていてコンパクト化には限界があり、更に、固体
高分子電解質型燃料電池は、COの被毒を受けるため、
CO濃度を10〜100ppm 以下にしなければならな
い。しかし、このCO濃度は、蒸気とメタノールの混合
比(S/C)により大きく影響を受けるものであるが、
図3に示す燃料電池発電装置ではS/Cが一定となるよ
うな配慮はなされておらず、負荷変動が生じると、S/
Cが変って来る、という問題があった。
However, when a fuel cell is used as a power source for a vehicle such as an automobile, the fuel cell power generator must be compact and load responsive. Type fuel cell power generator,
The anode exhaust gas AG discharged from the anode 3 is burned in the combustor 19 in order to obtain heat necessary for the endothermic reaction in the reformer 5, and the load fluctuates to reform in the reformer 5. Even if the amount of gas and the fuel utilization rate at the anode 3 fluctuate, this cannot be dealt with flexibly, and the reformer 5 reforms methanol as a raw material. A line for supplying the fuel gas FG to the anode 3 is provided with a heat exchanger 6, a shift converter 7, and a CO remover 8 for cooling the fuel gas. The unit 13 is also provided separately, and there is a limit to compactness. Further, since the polymer electrolyte fuel cell is poisoned by CO,
The CO concentration must be below 10-100 ppm. However, this CO concentration is greatly affected by the mixing ratio (S / C) of steam and methanol.
In the fuel cell power generator shown in FIG. 3, no consideration is given to keep the S / C constant.
There was a problem that C changed.

【0007】そこで、本発明は、システム全体をシンプ
ルにしてコンパクト化すると共に負荷応答性を向上させ
て自動車等の輸送体の動力源として使用できるように
し、且つ負荷変動時でもメタノールと水の比が常に一定
になるようにした固体高分子電解質型燃料電池発電装置
を提供しようとするものである。
Therefore, the present invention provides a simple and compact system as a whole, improves the load response, and can be used as a power source for a vehicle such as an automobile. Is intended to provide a solid polymer electrolyte fuel cell power generator in which the constant is always constant.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、固体高分子電解質膜をカソードとアノー
ドで挟み、カソード側に酸化剤ガスを供給すると共に、
アノード側に燃料ガスを供給するようにしてある燃料電
池のアノードへメタノールを改質して供給するライン
に、低温活性の高い改質触媒を用いてシフトコンバータ
の運転温度と同じ温度で運転するようにした改質器と、
該改質器で改質された燃料ガス中の一酸化炭素を除去す
るCO除去器を設置し、且つ上記改質器の上流側に、メ
タノール蒸発部、蒸気発生部、熱媒体加熱部を一体化し
てなる複合熱交換器を設置して、メタノール蒸発部で蒸
発されたメタノールと蒸気発生部で発生させられた水蒸
気を上記改質器に導入するようにし、該改質器の加熱に
用いる熱媒体を、上記複合熱交換器の熱媒体加熱部で加
熱して改質器に導くようにした構成とする。
According to the present invention, in order to solve the above-mentioned problems, a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a cathode and an anode, and an oxidizing gas is supplied to the cathode side.
A line for reforming and supplying methanol to the anode of the fuel cell, which supplies fuel gas to the anode side, is operated at the same temperature as the shift converter using a reforming catalyst having high low-temperature activity. And the reformer
A CO remover for removing carbon monoxide in the fuel gas reformed by the reformer is installed, and a methanol evaporator, a steam generator, and a heating medium heater are integrated upstream of the reformer. The heat exchanger used to heat the reformer is installed by introducing a combined heat exchanger into which the methanol evaporated in the methanol evaporator and the steam generated in the steam generator are introduced. The medium is configured to be heated by the heat medium heating unit of the composite heat exchanger and guided to the reformer.

【0009】改質器とシフトコンバータを一体化させた
構成にできてコンパクト化が図れ、更に、メタノール蒸
発部と蒸気発生部と熱媒体加熱部を一体化してなる複合
熱交換器としているのでコンパクト化が図れ、したがっ
て自動車へ搭載する場合の設置スペースが小さくてす
み、有利となる。又、改質器の加熱に熱媒体を用いるこ
とから、負荷応答性を向上させることができる。
A compact heat exchanger can be achieved by integrating the reformer and the shift converter, and the combined heat exchanger is formed by integrating the methanol evaporator, steam generator and heat medium heater. Therefore, the space required for installation on an automobile can be reduced, which is advantageous. Further, since a heat medium is used for heating the reformer, load responsiveness can be improved.

【0010】又、上記熱媒体の加熱に排ガスタービンの
排気ガスを用いるようにするが、排ガスの適切な温度範
囲を使用することで熱媒体の過熱を防止でき、改質器の
改質触媒の耐熱温度以下で運転できることになる。
Further, the exhaust gas of the exhaust gas turbine is used for heating the heat medium, but by using an appropriate temperature range of the exhaust gas, overheating of the heat medium can be prevented, and the reforming catalyst of the reformer can be used. It will be possible to operate at a temperature below the allowable temperature limit.

【0011】CO除去器の冷却手段として空冷を採用す
ることにより冷却水や冷却ガスを通して行う方式に比し
て冷却ラインをなくしてシステムのコンパクト化が図れ
る。
By employing air cooling as the cooling means of the CO remover, the system can be made compact by eliminating a cooling line as compared with a system in which cooling water or cooling gas is passed.

【0012】更に、メタノールと水の各定量ポンプを機
械的に同期させることにより、メタノールと水の割り合
いが常に設定値になるようになり、負荷応答時でも一酸
化炭素の濃度を10〜100ppm 以下に下げることがで
きる。
Further, by mechanically synchronizing the respective metering pumps of methanol and water, the ratio of methanol and water always becomes a set value, and the concentration of carbon monoxide is maintained at 10 to 100 ppm even when a load is responded. It can be reduced to:

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0014】図1は本発明の実施の一形態を示すもの
で、図3に示したメタノールを原料として水蒸気改質を
行うようにした固体高分子電解質型燃料電池発電装置と
同様な構成において、改質器5とシフトコンバータ7を
一体化して、メタノールを改質して固体高分子電解質型
燃料電池Iのアノード3へ燃料ガスを供給するラインの
機器数を少なくしてシンプル化させると共に他の機器も
シンプル化を図ってシステム全体のコンパクト化を図る
ようにし、又、改質器で吸熱反応させるための熱を熱容
量の大きい熱媒体により得るようにして負荷応答性を高
めるようにし、更に、メタノールと水の割り合いを常に
一定になるようにメタノールと水の定量ポンプを機械的
に同期させてポンプの回転数が一定になるようにする。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In the configuration similar to that of the solid polymer electrolyte fuel cell power generation apparatus shown in FIG. 3, which performs steam reforming using methanol as a raw material, The reformer 5 and the shift converter 7 are integrated to reform methanol to reduce the number of devices in a line for supplying fuel gas to the anode 3 of the solid polymer electrolyte fuel cell I, thereby simplifying the fuel cell system. The equipment is also simplified to reduce the size of the entire system, and to obtain heat for causing an endothermic reaction in the reformer with a heat medium having a large heat capacity so as to enhance load responsiveness. The metering pump for methanol and water is mechanically synchronized so that the ratio between methanol and water is always constant, so that the rotation speed of the pump is constant.

【0015】詳述すると、メタノールを原料とする場合
の改質器の改質触媒とシフトコンバータの低温シフト触
媒は、ともに銅(Cu)、亜鉛(Zn)を活性成分とす
る触媒であることに着目して、従来の上記改質器5に代
えて、触媒に低温活性の高い改質触媒を使用するように
し、且つ上記シフトコンバータ7の運転温度と同じ20
0℃で運転できるようにした改質器26とすることによ
り、従来設置されていた熱交換器6とシフトコンバータ
7をなくし、図1に示す如く、200℃で運転する改質
器26と150℃で運転するCO除去器27のみを、固
体高分子電解質型燃料電池Iのアノード3の入口側のメ
タノールを改質して供給するライン28に設置するよう
にすると共に、上記CO除去器27の冷却手段として空
冷フイン29を設置して、CO除去器27の冷却を、図
3に示す冷却水による冷却や冷却ガスによる冷却に代
え、空冷フイン29で冷却するようにすることにより、
従来の冷却ラインを省略してシステムの簡略化を図るよ
うにする。
More specifically, the reforming catalyst of the reformer and the low-temperature shift catalyst of the shift converter when methanol is used as a raw material are both catalysts containing copper (Cu) and zinc (Zn) as active components. Focusing on this, instead of the conventional reformer 5, a reforming catalyst having a high low-temperature activity is used as the catalyst, and the same operating temperature as the operating temperature of the shift converter 7 is used.
By providing the reformer 26 which can be operated at 0 ° C., the heat exchanger 6 and the shift converter 7 which are conventionally installed are eliminated, and as shown in FIG. Only the CO remover 27 operating at a temperature of 0 ° C. is installed in the line 28 for reforming and supplying methanol on the inlet side of the anode 3 of the solid polymer electrolyte fuel cell I, and the CO remover 27 By installing an air-cooled fin 29 as a cooling means, and cooling the CO remover 27 with the air-cooled fin 29 instead of cooling with cooling water or cooling gas shown in FIG.
The conventional cooling line is omitted to simplify the system.

【0016】又、上記改質器26の加熱には、ガスに比
べ熱容量の大きい熱媒体30を用いるようにして、熱媒
体30を熱媒体ポンプ32で循環させるようにする閉ル
ープの熱媒体循環ライン31を設け、該熱媒体循環ライ
ン31を流れる熱媒体30を加熱する熱媒体加熱部34
を、図3におけるメタノール蒸発器10、蒸気発生器1
3に相当するメタノール蒸発部35、蒸気発生部36の
中間に一体化してなる複合熱交換器33を構成し、該複
合熱交換器33のメタノール蒸発部35を通過したメタ
ノールと、複合熱交換器33の蒸気発生部36を通過し
た水蒸気とを改質器26の改質室に導入するようにする
と共に、熱媒体加熱部34で加熱されて改質器26の加
熱室を流れる熱媒体30で改質器26の加熱を行わせる
ようにし、又、図3におけるターボチャージャ16に代
えて、ターボリショルムコンプレッサ37を用いるよう
にして、排ガスタービン38によりリショルムコンプレ
ッサ39を駆動させるようにし、該ターボリショルムコ
ンプレッサ37の排ガスタービン38から排出された排
ガスを、上記複合熱交換器33の加熱に用いるように、
タービン排ガスライン40を複合熱交換器33に接続し
て、排気ガスを水の蒸発、熱媒体の加熱、メタノールの
蒸発に使用するようにし、排気ガスの一部を、タービン
排ガスライン40より分岐した分岐ライン41を介して
起動用燃焼器42に接続し、該起動用燃焼器42に導入
されるメタノールの一部を燃焼させて、起動時の加熱用
として複合熱交換器33に導入できるようにし、一方、
上記排ガスタービン38には、触媒燃焼器43で燃焼し
た排ガスを導入するようにし、触媒燃焼器43には、カ
ソード2からのカソード排ガスの全量とアノード3から
のアノード排ガスの全量を導入させて燃焼させるように
する。
A heating medium 30 having a larger heat capacity than gas is used for heating the reformer 26, and the heating medium 30 is circulated by a heating medium pump 32. A heating medium heating unit for heating the heating medium flowing through the heating medium circulation line;
With the methanol evaporator 10 and the steam generator 1 in FIG.
3 constitutes a composite heat exchanger 33 integrated in the middle of a methanol evaporating section 35 and a steam generating section 36. Methanol that has passed through the methanol evaporating section 35 of the composite heat exchanger 33 and a composite heat exchanger The steam that has passed through the steam generating section 33 is introduced into the reforming chamber of the reformer 26, and the heat medium 30 that is heated by the heating medium heating section 34 and flows through the heating chamber of the reformer 26. The reformer 26 is heated, and the turbocharger compressor 39 is used in place of the turbocharger 16 in FIG. The exhaust gas discharged from the exhaust gas turbine 38 of the compressor 37 is used for heating the composite heat exchanger 33,
The turbine exhaust gas line 40 is connected to the composite heat exchanger 33 so that the exhaust gas is used for evaporating water, heating a heat medium, and evaporating methanol, and a part of the exhaust gas is branched from the turbine exhaust gas line 40. It is connected to a starting combustor 42 via a branch line 41, and a portion of the methanol introduced into the starting combustor 42 is burned so that the methanol can be introduced into the composite heat exchanger 33 for heating at the time of starting. ,on the other hand,
The exhaust gas combusted by the catalytic combustor 43 is introduced into the exhaust gas turbine 38, and the entire amount of the cathode exhaust gas from the cathode 2 and the entire amount of the anode exhaust gas from the anode 3 are introduced into the catalytic combustor 43 for combustion. Let it do.

【0017】更に、メタノールタンク9から複合熱交換
器33のメタノール蒸発部35へメタノールを圧送する
定量ポンプ44と、水タンク12から複合熱交換器33
の蒸気発生部36へ水を圧送する定量ポンプ45とを、
回転数の比が一定になるように機械的に同期させるよう
連結手段46で連結し、負荷変動時でもメタノールと水
の比が常に一定となるようにする。
Further, a metering pump 44 for pressure-feeding methanol from the methanol tank 9 to the methanol evaporating section 35 of the composite heat exchanger 33, and a composite heat exchanger 33 from the water tank 12
And a metering pump 45 for pumping water to the steam generator 36 of
The connection is made by the connecting means 46 so as to be mechanically synchronized so that the ratio of the number of rotations is constant so that the ratio of methanol to water is always constant even when the load changes.

【0018】その他の構成は図3に示す従来のシステム
構成と同じであり、同一のものには同一符号が付してあ
る。
Other configurations are the same as those of the conventional system shown in FIG. 3, and the same components are denoted by the same reference numerals.

【0019】図2は上記構成とした固体高分子電解質型
燃料電池発電装置における複合熱交換器に改質器、CO
除去器、熱媒体循環ラインを組み付けた具体例を示すも
のであり、47は熱媒体タンクであり、該熱媒体タンク
47内の熱媒体を熱媒体ポンプ32で閉ループの循環ラ
イン31を循環させるようにしたものである。
FIG. 2 shows a composite heat exchanger and a reformer and a CO
This is a specific example in which a remover and a heat medium circulation line are assembled. Reference numeral 47 denotes a heat medium tank, and the heat medium in the heat medium tank 47 is circulated by a heat medium pump 32 through a closed loop circulation line 31. It was made.

【0020】本発明の固体高分子電解質型燃料電池発電
装置を起動するときは、先ず、メタノールタンク9内の
メタノールを起動用燃焼器42で触媒燃焼させ、その燃
焼熱で水蒸気を発生させ、更に、熱媒体30の加熱、メ
タノールの蒸発を行わせるようにする。加熱された熱媒
体は、熱媒体循環ライン31を循環して流れることによ
り改質器26を加熱し、メタノール蒸発部35を通過し
たメタノールと蒸気発生部36で発生した水蒸気が改質
器26の改質室に導入されてメタノールの水蒸気改質が
行われる。
When the solid polymer electrolyte fuel cell power generator of the present invention is started, first, methanol in the methanol tank 9 is catalyzed by the starting combustor 42, and steam is generated by the combustion heat. The heating of the heating medium 30 and the evaporation of methanol are performed. The heated heat medium heats the reformer 26 by circulating and flowing through the heat medium circulation line 31, and the methanol that has passed through the methanol evaporator 35 and the steam generated by the steam generator 36 are discharged from the reformer 26. It is introduced into a reforming chamber, and steam reforming of methanol is performed.

【0021】改質器26は、従来のシフトコンバータの
運転温度と同じ200℃で運転され、改質器26出口で
のCO濃度をCO除去器27で処理可能な濃度まで低減
することができる。改質器26で改質された燃料ガスF
Gは、CO除去器27に入り、ここで燃料ガスに同伴し
たCOの除去が行われる。CO除去器27の冷却手段と
して、空冷フイン29を用いているので、従来の冷却水
による場合の如き冷却ラインをCO除去器27に設ける
必要をなくすことができ、システムをシンプル化でき、
又、上記改質器26は、従来の改質器とシフトコンバー
タを一体にした構成であることからも、システムのシン
プル化をより図ることができて、コンパクト化を図るこ
とができることになる。
The reformer 26 is operated at 200 ° C. which is the same as the operating temperature of the conventional shift converter, and the CO concentration at the outlet of the reformer 26 can be reduced to a concentration that can be processed by the CO remover 27. Fuel gas F reformed in reformer 26
G enters the CO remover 27, where CO accompanying the fuel gas is removed. Since the air-cooled fins 29 are used as the cooling means of the CO remover 27, it is not necessary to provide a cooling line in the CO remover 27 as in the case of the conventional cooling water, and the system can be simplified,
In addition, since the reformer 26 has a configuration in which the conventional reformer and the shift converter are integrated, the system can be more simplified and the size can be reduced.

【0022】CO除去器27でCO除去が行われた燃料
ガスFGはアノード3へ供給され、該アノード3から排
出されたアノード排ガスAGは、気水分離器25で気水
分離され、ガスは触媒燃焼器43へ導入され、水は水タ
ンク12へ導入される。
The fuel gas FG from which CO has been removed by the CO remover 27 is supplied to the anode 3, and the anode exhaust gas AG discharged from the anode 3 is separated into steam and water by the steam-water separator 25, and the gas is used as a catalyst. The water is introduced into the combustor 43 and the water is introduced into the water tank 12.

【0023】一方、カソード2へは、リショルムコンプ
レッサ39で圧縮された空気Aが酸化剤ガスとして供給
され、該空気の一部は、CO除去器27へ供給される。
カソード2から排出されたカソード排ガスCGは、気水
分離器23で気水分離され、ガスは全量が触媒燃焼器4
3へ導入され、水は水タンク12へ導入される。
On the other hand, to the cathode 2, the air A compressed by the rescholl compressor 39 is supplied as an oxidizing gas, and a part of the air is supplied to the CO remover 27.
Cathode exhaust gas CG discharged from the cathode 2 is separated into steam and water by a steam-water separator 23, and the entire amount of gas is exhausted by the catalytic combustor 4.
3 and the water is introduced into the water tank 12.

【0024】上記触媒燃焼器43で燃焼させられて排出
された排気ガスは、排ガスタービン38へ送られ、ここ
で膨張させられて複合熱交換器33や起動用燃焼器42
へ送られ、複合熱交換器33へ送られたタービン排気ガ
スは、蒸気発生、熱媒体の加熱、メタノールの蒸発に供
した後、排出される。
The exhaust gas burned and exhausted by the catalytic combustor 43 is sent to an exhaust gas turbine 38, where it is expanded and expanded, and the composite heat exchanger 33 and the starting combustor 42 are expanded.
The turbine exhaust gas sent to the combined heat exchanger 33 is subjected to steam generation, heating of a heat medium, and evaporation of methanol, and then discharged.

【0025】本発明においては、上述した如く、改質器
26の加熱に、熱容量の大きい熱媒体30を使用するよ
うにしているが、熱媒体はガスより比熱が大きいため、
ガス加熱に比べて負荷変化時の応答に優れており、負荷
応答性を高めることができ、又、改質器26の改質触媒
の耐熱温度は350℃であるため、改質器26の加熱に
用いられる熱媒体30の温度が高すぎると、改質触媒を
劣化させることになるが、本発明では、熱媒体30の加
熱に排ガスタービン38から排出された排気ガスを使用
するようにしてあるので、該排気ガスの適切な温度範囲
を使用することにより、燃焼ガスで熱媒体を直接加熱す
る場合に起る熱媒体温度の過熱を防止することができ
る。
In the present invention, as described above, the heat medium 30 having a large heat capacity is used for heating the reformer 26. However, since the heat medium has a larger specific heat than the gas,
It is superior in response to load change compared to gas heating, and can improve load response. In addition, since the heat resistant temperature of the reforming catalyst of the reformer 26 is 350 ° C., the heating of the reformer 26 If the temperature of the heat medium 30 used for the heating is too high, the reforming catalyst is deteriorated. However, in the present invention, the exhaust gas discharged from the exhaust gas turbine 38 is used for heating the heat medium 30. Therefore, by using an appropriate temperature range of the exhaust gas, it is possible to prevent the heating medium temperature from being overheated when the heating medium is directly heated by the combustion gas.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上述べた如く、本発明の固体高分子電
解質型燃料電池発電装置は、上述した如き構成を有して
いるので、次の如き優れた効果を奏し得る。 (1) 改質器に低温活性の高い改質触媒を使用し、且つ改
質器をシフトコンバータの運転温度と同じ低い温度で運
転するようにしてあるので、従来用いていた熱交換器や
シフトコンバータをなくすことができて、システムのシ
ンプル化が図れてコンパクト化を図ることができる。 (2) CO除去器の冷却手段として冷却ガスや冷却水を用
いることなく、空冷フインで冷却するようにしてあるの
で、冷却用の流体を流すための冷却ラインをなくすこと
ができて、システムをシンプル化できる。 (3) 改質器の加熱に熱容量の大きい熱媒体を使用するの
で、熱媒体がガスより比熱が大きいことからガス加熱に
比して負荷変化時の応答に優れ、負荷応答性を高めるこ
とができる。 (4) 上記熱媒体の加熱する加熱部を蒸気発生部とメタノ
ール蒸発部と一体化して複合熱交換器とし、該複合熱交
換器の水の蒸発、熱媒体の加熱、メタノールの蒸発に排
ガスタービンからの排気ガスを用いるようにしてあるの
で、複合熱交換器の使用により、従来別々に用いられて
いた機器数を低減できてシステムのシンプル化が図れる
と共に、熱媒体の加熱に排ガスタービンからの排気ガス
を用いることから、排気ガスの適切な温度範囲を使用す
ることにより改質器の改質触媒の耐熱温度以下で運転す
ることができて、熱媒体温度の過熱を防止することがで
きる。 (5) メタノールをメタノール蒸発部に送る定量ポンプと
水を蒸気発生部に送る定量ポンプを機械的に同期させた
構成としてあるので、メタノールと水の両定量ポンプの
回転数の比を一定にすることができ、負荷変動時でも常
にメタノールと水の割り合いを一定にすることができ
て、CO濃度を10〜100ppm 以下に下げることがで
きる。 (6) 以上により固体高分子電解質型燃料電池発電装置を
コンパクトなシステム構成とすることができると共に負
荷応答性の向上が達成でき、自動車の動力源として最適
なものとなる。
As described above, the solid polymer electrolyte fuel cell power generator according to the present invention has the above-described configuration, and therefore can provide the following excellent effects. (1) Since a reforming catalyst with high low-temperature activity is used for the reformer and the reformer is operated at the same low temperature as the operating temperature of the shift converter, the heat exchanger and shift The converter can be eliminated, and the system can be simplified and downsized. (2) Since cooling is performed by air-cooled fins without using cooling gas or cooling water as cooling means for the CO remover, a cooling line for flowing cooling fluid can be eliminated, and the system can be cooled. Can be simplified. (3) Since a heat medium with a large heat capacity is used for heating the reformer, the heat medium has a higher specific heat than gas, so it has better response to load changes compared to gas heating and can improve load response. it can. (4) The heating section for heating the heat medium is integrated with a steam generation section and a methanol evaporating section to form a composite heat exchanger, and the exhaust gas turbine is used for evaporating water, heating the heating medium, and evaporating methanol in the composite heat exchanger. The use of a composite heat exchanger reduces the number of separately used devices, simplifies the system, and heats the heating medium from the exhaust gas turbine. Since the exhaust gas is used, by using an appropriate temperature range of the exhaust gas, it is possible to operate the reformer at a temperature lower than the allowable temperature limit of the reforming catalyst, and to prevent overheating of the heat medium temperature. (5) Since the metering pump that sends methanol to the methanol evaporator and the metering pump that sends water to the steam generator are mechanically synchronized, the ratio between the rotation speeds of both the methanol and water metering pumps is kept constant. Thus, even when the load changes, the ratio of methanol to water can be kept constant, and the CO concentration can be reduced to 10 to 100 ppm or less. (6) As described above, the solid polymer electrolyte fuel cell power generator can have a compact system configuration and can achieve improved load responsiveness, which is optimal as a power source for an automobile.

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

【図1】本発明の固体高分子電解質型燃料電池発電装置
のシステム構成を示す系統図である。
FIG. 1 is a system diagram showing a system configuration of a solid polymer electrolyte fuel cell power generator according to the present invention.

【図2】図1における複合熱交換器に改質器、CO除去
器、熱媒体循環ラインを組み合わせた一例を示す斜視図
である。
FIG. 2 is a perspective view showing an example in which a reformer, a CO remover, and a heat medium circulation line are combined with the composite heat exchanger in FIG.

【図3】従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の
システム構成図である。
FIG. 3 is a system configuration diagram of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell power generator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

I 固体高分子電解質型燃料電池 1 固体高分子電解質膜 2 カソード 3 アノード 9 メタノールタンク 12 水タンク 26 改質器 27 CO除去器 28 ライン 29 空冷フイン 30 熱媒体 31 熱媒体循環ライン 33 複合熱交換器 34 熱媒体加熱部 35 メタノール蒸発部 36 蒸気発生部 37 ターボリショルムコンプレッサ 38 排ガスタービン 39 リショルムコンプレッサ 44,45 定量ポンプ 46 連結手段 I Solid polymer electrolyte fuel cell 1 Solid polymer electrolyte membrane 2 Cathode 3 Anode 9 Methanol tank 12 Water tank 26 Reformer 27 CO remover 28 Line 29 Air-cooled fin 30 Heat medium 31 Heat medium circulation line 33 Composite heat exchanger 34 Heat medium heating section 35 Methanol evaporation section 36 Steam generation section 37 Turbo-Richorm compressor 38 Exhaust gas turbine 39 Ryshorm compressor 44, 45 Metering pump 46 Connecting means

フロントページの続き (72)発明者 渡部 武憲 東京都江東区豊洲三丁目1番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内 (72)発明者 山中 康朗 東京都江東区豊洲三丁目1番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内Continued on the front page (72) Inventor Takenori Watanabe 3-1-1-15 Toyosu, Koto-ku, Tokyo Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. Inside the Toji Technical Center (72) Inventor Yasuo Yamanaka 3-1-1, Toyosu, Koto-ku, Tokyo No. Ishikawajima Harima Heavy Industries, Ltd.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体高分子電解質膜をカソードとアノー
ドで挟み、カソード側に酸化剤ガスを供給すると共に、
アノード側に燃料ガスを供給するようにしてある燃料電
池のアノードへメタノールを改質して供給するライン
に、低温活性の高い改質触媒を用いてシフトコンバータ
の運転温度と同じ温度で運転するようにした改質器と、
該改質器で改質された燃料ガス中の一酸化炭素を除去す
るCO除去器を設置し、且つ上記改質器の上流側に、メ
タノール蒸発部、蒸気発生部、熱媒体加熱部を一体化し
てなる複合熱交換器を設置して、メタノール蒸発部で蒸
発されたメタノールと蒸気発生部で発生させられた水蒸
気を上記改質器に導入するようにし、該改質器の加熱に
用いる熱媒体を、上記複合熱交換器の熱媒体加熱部で加
熱して改質器に導くようにした構成を有することを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
1. A solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a cathode and an anode, an oxidant gas is supplied to the cathode side,
A line for reforming and supplying methanol to the anode of the fuel cell, which supplies fuel gas to the anode side, is operated at the same temperature as the shift converter using a reforming catalyst having high low-temperature activity. And the reformer
A CO remover for removing carbon monoxide in the fuel gas reformed by the reformer is installed, and a methanol evaporator, a steam generator, and a heating medium heater are integrated upstream of the reformer. The heat exchanger used to heat the reformer is installed by introducing a combined heat exchanger into which the methanol evaporated in the methanol evaporator and the steam generated in the steam generator are introduced. A solid polymer electrolyte fuel cell power generator, wherein the medium is heated by a heating medium heating section of the composite heat exchanger and guided to a reformer.
【請求項2】 複合熱交換器でのメタノールの蒸発、熱
媒体の加熱、水の蒸発に排ガスタービンからの排気ガス
を用いるようにする請求項1記載の固体高分子電解質型
燃料電池発電装置。
2. The solid polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 1, wherein exhaust gas from an exhaust gas turbine is used for evaporating methanol, heating a heat medium, and evaporating water in the composite heat exchanger.
【請求項3】 CO除去器の冷却手段を空冷とするよう
にした請求項1又は2記載の固体高分子電解質型燃料電
池発電装置。
3. The solid polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 1, wherein the cooling means of the CO remover is air-cooled.
【請求項4】 メタノールをメタノール蒸発部へ送る定
量ポンプと水を蒸気発生器へ送る定量ポンプを機械的に
同期して両定量ポンプの回転数の比が一定になるように
した請求項1、2又は3記載の固体高分子電解質型燃料
電池発電装置。
4. A fixed quantity pump for sending methanol to a methanol evaporator and a fixed quantity pump for sending water to a steam generator are mechanically synchronized so that the ratio of the rotation speeds of the two fixed quantity pumps is constant. 4. The solid polymer electrolyte fuel cell power generator according to 2 or 3.
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