JP2015011885A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas.
従来、都市ガス等の原料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器を備える固体酸化物型の燃料電池システムが提案されている。 Conventionally, a solid oxide fuel cell system including a reformer that reforms a raw material such as city gas to generate a fuel gas containing hydrogen has been proposed.
また、水蒸気改質を行う燃料電池システムでは、水蒸気改質反応が進む600℃程度に改質器内の触媒を昇温するために、システムの起動時には部分酸化改質の反応熱により改質器を加熱するとともに、酸化剤ガスのオフガスと燃料ガスのオフガスとを燃焼させてその熱により改質器全体を一様に加熱する(例えば、特許文献1参照)。 In addition, in a fuel cell system that performs steam reforming, the temperature of the catalyst in the reformer is raised to about 600 ° C. in which the steam reforming reaction proceeds. And the oxidant gas off-gas and fuel gas off-gas are combusted and the entire reformer is uniformly heated by the heat (see, for example, Patent Document 1).
ここで、図5の破線は、従来の燃料電池システムの部分酸化改質運転時の改質器内温度分布特性を示している。この図5に示すように、従来の燃料電池システムでは、オフガスの燃焼熱により改質器全体を一様に加熱しているものの、部分酸化改質反応は炭化水素の完全酸化反応と水蒸気改質反応が連続的に起こるものであり、この炭化水素の完全酸化反応によって、改質器内におけるガス流れ上流部(すなわち、改質器入口直後)が改質器内において最も高温になる。 Here, the broken line in FIG. 5 shows the temperature distribution characteristics in the reformer during the partial oxidation reforming operation of the conventional fuel cell system. As shown in FIG. 5, in the conventional fuel cell system, although the entire reformer is uniformly heated by the combustion heat of off-gas, the partial oxidation reforming reaction is a complete oxidation reaction of hydrocarbon and steam reforming. The reaction takes place continuously, and the complete oxidation reaction of the hydrocarbon causes the gas flow upstream portion in the reformer (that is, immediately after the reformer inlet) to have the highest temperature in the reformer.
そして、部分酸化改質運転時には、改質器内におけるガス流れ上流部の触媒温度が局所的に触媒劣化温度を超えてしまい、触媒が早期に劣化してしまうという問題があった。 In the partial oxidation reforming operation, the catalyst temperature in the upstream portion of the gas flow in the reformer locally exceeds the catalyst deterioration temperature, and the catalyst deteriorates early.
本発明は上記点に鑑みて、部分酸化改質運転時に改質器内の触媒が局所的に高温になることによる触媒の劣化を抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to suppress catalyst deterioration due to local high temperature of a catalyst in a reformer during partial oxidation reforming operation.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(10)と、改質対象流体を触媒にて改質して燃料ガスを生成する改質器(13)と、空気と燃料を燃焼させて改質器を昇温させるための昇温用ガスを生成する燃焼器(17)とを備え、改質器と燃焼器は、熱伝達可能に接触して配置され、燃焼器における空気の入口部(191)は、改質器における改質対象流体の入口部(141、161)に隣接して配置され、燃焼器における昇温用ガスの出口部(241)は、改質器における燃料ガスの出口部(111)に隣接して配置され、燃焼器における燃料の入口部(181)は、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる改質器内高温部位(a)に隣接する位置よりも、燃焼器内のガス流れ下流側に配置されていることを特徴とする。 To achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell (10) that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas, and a reforming target fluid are reformed by a catalyst. And a reformer (13) that generates fuel gas, and a combustor (17) that generates gas for raising the temperature of the reformer by burning air and fuel. And the combustor are disposed in contact with each other so that heat can be transferred, and the air inlet portion (191) in the combustor is disposed adjacent to the inlet portion (141, 161) of the fluid to be reformed in the reformer, The temperature rising gas outlet (241) in the combustor is disposed adjacent to the fuel gas outlet (111) in the reformer, and the fuel inlet (181) in the combustor is partially oxidized and reformed. High temperature part in the reformer that becomes high temperature in the reformer during operation (a) Than the adjacent positions, characterized in that it is arranged in the gas flow downstream of the combustor.
これによると、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる部位の触媒は、燃焼器に供給される空気にて冷却され、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる部位よりも下流側の触媒は、燃焼器内で空気と燃料を燃焼させて生成される昇温用ガスにて加熱される。 According to this, the part of the catalyst that becomes high in the reformer during the partial oxidation reforming operation is cooled by the air supplied to the combustor, and the part that becomes high in the reformer during the partial oxidation reforming operation. The catalyst on the further downstream side is heated by a temperature raising gas generated by burning air and fuel in the combustor.
換言すると、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる部位の触媒は冷却され、部分酸化改質運転時に改質器内において低温になる部位の触媒は加熱されるため、部分酸化改質運転時の改質器内の触媒温度分布は平滑化され、部分酸化改質運転時に改質器内の触媒が局所的に高温になることを防止でき、ひいては触媒の劣化を抑制することができる。 In other words, the catalyst at the high temperature site in the reformer during the partial oxidation reforming operation is cooled, and the catalyst at the low temperature site in the reformer during the partial oxidation reforming operation is heated. The catalyst temperature distribution in the reformer during the quality operation is smoothed, and the catalyst in the reformer can be prevented from becoming locally hot during the partial oxidation reforming operation, thereby suppressing the deterioration of the catalyst. it can.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について図1、図2に基づいて説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
この燃料電池システムは、燃料を水蒸気改質することによって生成した水素(および一酸化炭素)を含む燃料ガスと空気中に含まれる酸素(酸化剤ガス)とを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池10を備えている。本実施形態の燃料電池10は、作動温度が高温となる固体酸化物型燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)で構成されている。
This fuel cell system generates electric energy by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen (and carbon monoxide) generated by steam reforming the fuel and oxygen (oxidant gas) contained in the air. A
燃料電池10には、炭化水素系の燃料(水蒸気を含む燃料ガスを含む)および空気が供給流体として供給される。具体的には、燃料電池10の燃料極側には、燃料ガスを供給するためのFC燃料供給経路11が接続され、燃料電池10の空気極側には、空気を供給するためのFC空気供給経路12が接続されている。
The
そして、燃料電池10では、FC燃料供給経路11を介して水素を含む燃料ガスが供給され、FC空気供給経路12を介して酸素を含む空気が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。
In the
(燃料極)H2+O2-→H2O+2e-
(空気極)1/2O2+2e-→O2-
燃料電池10は、燃料電池10の温度を検出してその温度に応じた電気信号を図示しない電子制御装置に出力する燃料電池温度センサ101を備えている。燃料電池温度センサ101は、燃料電池10の平均的な温度が検出される部位に配置される。なお、燃料電池温度センサ101は、例えば熱電対を用いることができる。また、電子制御装置は、CPU、RAM、ROM、EEPROM等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。
(Fuel electrode) H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
(Air electrode) 1 / 2O 2 + 2e − → O 2−
The
FC燃料供給経路11の燃料流れ上流側に改質器13が設けられている。この改質器13には、改質器燃料供給経路14を介して炭化水素系の燃料が供給され、改質器空気供給経路15を介して空気が供給され、改質器水蒸気供給経路16を介して水蒸気が供給される。
A
改質器13の容器は、直方体であり、金属(例えば、SUS)よりなる。そして、改質器燃料供給経路14、改質器空気供給経路15、および改質器水蒸気供給経路16は、改質器13の一端面に接続されている。また、FC燃料供給経路11は、改質器13の他端面に接続されている。なお、図1中の矢印Aは、改質器13内のガス流れを示している。
The container of the
改質器13は、部分酸化改質機能と水蒸気改質機能とを併せ持つ触媒が改質器容器内に収容されており、改質対象流体としての混合ガスを触媒にて改質して、水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する。
In the
なお、改質器燃料供給経路14が改質器13の容器に接続された部位141、および改質器水蒸気供給経路16が改質器13の容器に接続された部位161は、本発明の改質対象流体(水蒸気と燃料の混合ガス)の入口部に相当する。また、FC燃料供給経路11が改質器13の容器に接続された部位111は、本発明の燃料ガスの出口部に相当する。
Note that the
改質器13は、改質器13内の触媒温度等を検出してその温度に応じた電気信号を電子制御装置に出力する、改質器第1温度センサ131、改質器第2温度センサ132、改質器第3温度センサ133、および改質器第4温度センサ134を備えている。
The
改質器第1温度センサ131は、改質器13における混合ガスの入口部に配置されて、その部位での混合ガスの温度(以下、改質器入口部ガス温度という)を検出する。
The reformer
ここで、図1中の破線aは、部分酸化改質運転時に改質器13内において最も高温になる改質器内高温部位を示している。因みに、改質器内高温部位aは、改質器13における混合ガスの入口部の直後の位置にある。
Here, a broken line a in FIG. 1 indicates a high temperature portion in the reformer that is the highest temperature in the
そして、温度検出手段としての改質器第2温度センサ132は、改質器内高温部位aの触媒温度(以下、高温部触媒温度という)が検出される部位に配置される。
The reformer
また、改質器第3温度センサ133は、部分酸化改質運転時に改質器13内の平均的な触媒温度(以下、平均触媒温度という)が検出される部位に配置される。
The reformer
さらに、改質器第4温度センサ134は、改質器13における燃料ガスの出口部に配置されて、その部位での触媒温度(以下、出口部触媒温度という)を検出する。
Furthermore, the reformer
燃料電池システムは、燃焼器17を備えている。この燃焼器17には、燃焼器燃料供給経路18を介して炭化水素系の燃料が供給され、燃焼器空気供給経路19を介して空気が供給される。燃焼器空気供給経路19には、燃焼器空気供給経路19を介して燃焼器17に供給される空気の流量を調整する流量調整弁20が配置されている。そして、燃焼器17は、点火プラグ21を備え、供給された空気と燃料の混合気に点火プラグ21にて着火し、混合気を燃焼させて昇温用ガスとしての高温の燃焼ガスを生成する。
The fuel cell system includes a
また、燃焼器17には、燃料電池10の燃料極側排ガスに含まれる未反応水素(以下、オフガスという)が第1オフガス供給経路22を介して供給され、燃料電池10の空気極側排ガスに含まれる未反応空気(以下、オフガスという)が第2オフガス供給経路23を介して供給される。そして、燃焼器17は、オフガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する。
Further, unreacted hydrogen (hereinafter referred to as “off gas”) contained in the fuel electrode side exhaust gas of the
燃焼器17の容器は、直方体であり、金属(例えば、SUS)よりなる。そして、燃焼器空気供給経路19、第1オフガス供給経路22、および第2オフガス供給経路23は、燃焼器17の一端面に接続されている。また、燃焼器17にて生じた高温の燃焼ガスを外部に排出するための燃焼ガス経路24が、燃焼器17の他端面に接続されている。さらに、燃焼器燃料供給経路18は、燃焼器空気供給経路19や燃焼ガス経路24等が接続された面とは異なる面に接続されている。なお、図1中の矢印Bは、燃焼器17内のガス流れを示している。
The container of the
なお、燃焼器燃料供給経路18が燃焼器17の容器に接続された部位181は、本発明の燃料の入口部に相当する。また、燃焼器空気供給経路19が燃焼器17の容器に接続された部位191は、本発明の空気の入口部に相当する。さらに、燃焼ガス経路24が燃焼器17の容器に接続された部位241は、本発明の昇温用ガスの出口部に相当する。
The
改質器13と燃焼器17は、改質器13と燃焼器17との間で熱伝達可能なように、それぞれの一面を接触させて一体化されている。また、改質器13と燃焼器17は、改質器内ガス流れAと燃焼器内ガス流れBが平行流になるように配置されている。
The
より詳細には、燃焼器17における空気の入口部191およびオフガスの入口部は、改質器13における混合ガスの入口部141、161に隣接して配置されている。また、燃焼器17における燃焼ガスの出口部241は、改質器13における燃料ガスの出口部111に隣接して配置されている。さらに、燃焼器17における燃料の入口部181は、改質器内高温部位aに隣接する位置よりも、燃焼器17内のガス流れB下流側に配置されている。
More specifically, the
燃焼器17は、燃焼器17内の温度を検出してその温度に応じた電気信号を電子制御装置に出力する、燃焼器第1温度センサ171および燃焼器第2温度センサ172を備えている。
The
燃焼器第1温度センサ171は、燃焼器17における空気およびオフガスの入口部に配置されて、その部位でのオフガスの燃焼温度(以下、燃焼器オフガス燃焼温度という)を検出する。
The combustor
燃焼器第2温度センサ172は、燃焼器17における燃料の入口部に配置されて、その部位での混合気の燃焼温度(以下、燃焼器混合気燃焼温度という)を検出する。
The combustor
次に、本実施形態において実行されるシステム起動時の制御について、図4および図5を参照しつつ、図3に基づいて説明する。なお、図5の実線は、本実施形態の燃料電池システムの部分酸化改質運転時の改質器内温度分布特性を示している。 Next, the control at the time of system startup executed in the present embodiment will be described based on FIG. 3 with reference to FIG. 4 and FIG. Note that the solid line in FIG. 5 indicates the temperature distribution characteristics in the reformer during the partial oxidation reforming operation of the fuel cell system of this embodiment.
図示しない電源スイッチが投入されると、電子制御装置は図3に示すシステム起動時の制御を開始する。 When a power switch (not shown) is turned on, the electronic control device starts control at the time of system startup shown in FIG.
まず、ステップS100では、燃焼器17への燃料供給を開始するとともに(図4a参照)、燃焼器17への空気供給を開始し、空気と燃料の混合気に点火プラグ21にて着火して燃焼器17を起動させる。これにより、燃焼器17内の熱が改質器13に伝達され、平均触媒温度が次第に上昇する(図4b参照)。なお、このときには改質器13には空気および水蒸気を供給しない(図4c、d参照)。
First, in step S100, the fuel supply to the
続いて、ステップS110では、改質器第3温度センサ133にて検出した平均触媒温度と、触媒による部分酸化改質反応が進行可能な温度であるPOX起動温度とを比較する。なお、POX起動温度は、マイクロコンピュータに予め記憶されている。
Subsequently, in step S110, the average catalyst temperature detected by the reformer
そして、システム起動直後は平均触媒温度がPOX起動温度未満であり、このときには、ステップS110でNOと判定され、ステップS110でYESと判定されるまでステップS110の判定が繰り返される。平均触媒温度がPOX起動温度以上になると、ステップS110でYESと判定されてステップS120に進む。 Immediately after the system is activated, the average catalyst temperature is lower than the POX activation temperature. At this time, it is determined NO in step S110, and the determination in step S110 is repeated until it is determined YES in step S110. When the average catalyst temperature is equal to or higher than the POX start temperature, YES is determined in step S110, and the process proceeds to step S120.
ステップS120では、改質器13への空気供給を開始するとともに(図4c参照)、改質器13への燃料供給を開始する。これにより、改質器13は部分酸化改質を開始する。そして、部分酸化改質反応熱で触媒を昇温させ(図4b参照)、かつ、改質ガスを燃料電池10の燃料極に供給することで燃料電池10を昇温させる。
In step S120, air supply to the
また、ステップS120では、燃料、空気、およびオフガスを、燃焼器17に供給する。そして、空気と燃料の燃焼ガスおよびオフガスの燃焼ガスにて、改質器13内の触媒を加熱する。
In step S120, fuel, air, and off-gas are supplied to the
ここで、燃焼器17における燃料の入口部は、改質器内高温部位aに隣接する位置よりも、燃焼器17内のガス流れB下流側に配置されているため、空気と燃料の燃焼ガスは、改質器内高温部位aよりも改質器内ガス流れA下流側の触媒を加熱する。
Here, since the fuel inlet portion in the
換言すると、改質器内高温部位a付近の触媒、および改質器内高温部位aよりも改質器内ガス流れA上流側の触媒は、空気と燃料の燃焼ガスによっては加熱されない。また、改質器内高温部位a付近の触媒、および改質器内高温部位aよりも改質器内ガス流れA上流側の触媒は、燃料と混合する前の空気により冷却される。 In other words, the catalyst in the vicinity of the high temperature region a in the reformer and the catalyst upstream of the reformer gas flow A from the high temperature region a in the reformer are not heated by the combustion gas of air and fuel. Further, the catalyst in the vicinity of the high temperature portion a in the reformer and the catalyst on the upstream side of the reformer gas flow A from the high temperature portion a in the reformer are cooled by the air before mixing with the fuel.
したがって、図5に示すように、改質器内高温部位a付近の触媒、および改質器内高温部位aよりも改質器内ガス流れA上流側の触媒は、温度上昇が抑制され、部分酸化改質運転時の改質器内触媒温度分布は平滑化される。 Therefore, as shown in FIG. 5, the catalyst in the vicinity of the reformer high temperature portion a and the catalyst in the reformer gas flow A upstream side of the reformer high temperature portion a are prevented from rising in temperature. The catalyst temperature distribution in the reformer during the oxidation reforming operation is smoothed.
この際、改質器第2温度センサ132で検出した高温部触媒温度や、燃焼器第2温度センサ172にて検出した燃焼器混合気燃焼温度が、設定値以上になった場合は、触媒保護のため、流量調整弁20により燃焼器17に供給する空気の量を調整して混合気の燃焼温度を下げるのが望ましい。
At this time, if the high-temperature part catalyst temperature detected by the reformer
続いて、ステップS130では、改質器第3温度センサ133にて検出した平均触媒温度、および改質器第1温度センサ131にて検出した改質器入口部ガス温度と、触媒によるオートサーマル改質反応が進行可能な温度であるATR起動温度とを比較する。なお、ATR起動温度は、マイクロコンピュータに予め記憶されている。
Subsequently, in step S130, the average catalyst temperature detected by the reformer
そして、平均触媒温度および改質器入口部ガス温度のうち少なくとも一方がATR起動温度未満のときはステップS130でNOと判定され、ステップS130でYESと判定されるまでステップS130の判定が繰り返される。平均触媒温度および改質器入口部ガス温度が上昇し、それらの温度がともにATR起動温度以上になると、ステップS130でYESと判定されてステップS140に進む。 When at least one of the average catalyst temperature and the reformer inlet gas temperature is lower than the ATR start temperature, NO is determined in step S130, and the determination in step S130 is repeated until YES is determined in step S130. When the average catalyst temperature and the reformer inlet gas temperature rise and both of these temperatures become equal to or higher than the ATR starting temperature, YES is determined in step S130 and the process proceeds to step S140.
ステップS140では、改質器13への水蒸気供給を開始するとともに(図4d参照)、燃料と空気を改質器13に供給する。これにより、改質器13はオートサーマル改質を開始する。なお、図4dに破線で示すように、オートサーマル改質を開始後に、平均触媒温度の上昇に伴って改質器13への水蒸気供給量を漸増させてもよい。
In step S140, supply of water vapor to the
また、燃料、空気、およびオフガスを、引き続き燃焼器17に供給する。そして、空気と燃料の燃焼ガスおよびオフガスの燃焼ガスにて、改質器13内の触媒を加熱する。
Further, fuel, air, and off-gas are continuously supplied to the
ステップS150では、改質器第4温度センサ134にて検出した出口部触媒温度、および燃料電池温度センサ101にて検出した燃料電池10の温度と、触媒による水蒸気改質反応が進行可能な温度であるSR起動温度とを比較する。なお、SR起動温度は、マイクロコンピュータに予め記憶されている。
In step S150, the outlet catalyst temperature detected by the reformer
そして、出口部触媒温度および燃料電池10の温度のうち少なくとも一方がSR起動温度未満のときはステップS150でNOと判定され、ステップS150でYESと判定されるまでステップS150の判定が繰り返される。
When at least one of the outlet catalyst temperature and the temperature of the
出口部触媒温度および燃料電池10の温度が上昇し、それらの温度がともにSR起動温度以上になると、ステップS150でYESと判定され、システム起動時の制御が終了する。
When the outlet catalyst temperature and the temperature of the
システム起動時の制御が終了後、水蒸気改質運転に移行する。具体的には、改質器13への空気の供給を停止し(図4c参照)、改質器13への燃料と水蒸気の供給を継続して、水蒸気改質を開始する。なお、図4cに破線で示すように、オートサーマル改質を開始後に、平均触媒温度の上昇に伴って改質器13への空気供給量を漸減させてもよい。
After the control at the time of starting the system is completed, the process shifts to the steam reforming operation. Specifically, the supply of air to the
また、図6に示すように、水蒸気改質運転時には、吸熱反応により改質器入口直後の触媒温度が下がるため、オフガスを燃焼器17に供給して、オフガスを燃焼器17の入口にて燃焼させ、改質器入口直後の触媒を加熱する。この際、燃焼器第1温度センサ171にて検出した燃焼器オフガス燃焼温度が設定値(例えば、1000℃)以上になった場合は、触媒保護のため、燃焼器17に空気を供給してオフガスの燃焼温度を下げるのが望ましい。
Further, as shown in FIG. 6, during the steam reforming operation, the catalyst temperature immediately after the reformer inlet is lowered due to the endothermic reaction, so off gas is supplied to the
本実施形態によると、部分酸化改質運転時に改質器13内において高温になる部位の触媒は冷却され、部分酸化改質運転時に改質器13内において低温になる部位の触媒は加熱されるため、部分酸化改質運転時の改質器13内の触媒温度分布は平滑化され、部分酸化改質運転時に改質器13内の触媒が局所的に高温になることを防止でき、ひいては触媒の劣化を抑制することができる。
According to the present embodiment, the catalyst at the portion that becomes high in the
また、水蒸気改質運転時には吸熱反応により改質器入口直後の触媒温度が下がるが、水蒸気改質運転時にオフガスの燃焼熱にて改質器入口直後の触媒を加熱するため、水蒸気改質運転時に高い改質率が得られる。 Also, during the steam reforming operation, the catalyst temperature immediately after the reformer inlet decreases due to the endothermic reaction. High reforming rate can be obtained.
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、燃焼器17の構成が変更されており、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the
図7に示すように、燃焼器17におけるガス流れ上流部側に、フィン173が多数設けられている。また、燃焼器17におけるガス流れ下流部側に、燃焼器内ガス流れBをジグザグにする邪魔板174が2枚設けられている。
As shown in FIG. 7,
そして、フィン173により燃焼器17の容器の実質的な表面積が増加するため、燃焼器17の容器と燃焼器17内の燃焼ガスとの間の熱伝達が促進され、ひいては改質器13と燃焼器17との間の熱伝達が促進される。
Since the substantial surface area of the container of the
また、邪魔板174により流れがジグザグになった燃焼ガスは燃焼器17の容器に衝突するため、燃焼器17の容器と燃焼器17内の燃焼ガスとの間の熱伝達が促進され、ひいては改質器13と燃焼器17との間の熱伝達が促進される。
Further, since the combustion gas whose flow is zigzag by the
したがって、本実施形態によると、改質器13と燃焼器17との間の熱交換効率が向上するとともに、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
Therefore, according to the present embodiment, the heat exchange efficiency between the
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、燃焼器17の構成が変更されており、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the
図8、図9に示すように、燃焼器17は、L字形状であり、改質器13における隣接する2つの面(本実施形態では、下面および側面)と燃焼器17における隣接する2つの面が、熱伝達可能に接触している。
As shown in FIGS. 8 and 9, the
改質器燃料供給経路14、改質器空気供給経路15、および改質器水蒸気供給経路16は、改質器13の下方付近に接続されている。
The reformer
燃焼器空気供給経路19、第1オフガス供給経路22、および第2オフガス供給経路23は、燃焼器17の下面に接続されるとともに、空気やオフガスが改質器13の下面に向かって流れるように構成されている。
The combustor
このように、燃焼器17に供給される空気やオフガスは、改質器13の下面に向かって流れるため、それらの空気およびオフガスと改質器入口直後の触媒との熱交換効率が向上する。
Thus, since the air and off-gas supplied to the
より詳細には、部分酸化改質運転中は、改質器内高温部位付近の触媒および改質器内高温部位よりも改質器内ガス流れA上流側の触媒は、燃焼器17に供給される空気により効率よく冷却される。
More specifically, during the partial oxidation reforming operation, the catalyst in the vicinity of the high temperature region in the reformer and the catalyst on the upstream side of the reformer gas flow A from the high temperature region in the reformer are supplied to the
また、水蒸気改質運転時には、燃焼器17に供給されるオフガスで改質器13の下面と側面を加熱させることで、熱交換効率を向上させる。
Further, during the steam reforming operation, the heat exchange efficiency is improved by heating the lower surface and the side surface of the
本実施形態によると、改質器13と燃焼器17との間の熱交換効率が向上するとともに、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
According to this embodiment, the heat exchange efficiency between the
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態は、燃焼器17の構成が変更されており、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the
図10、図11に示すように、改質器13は、改質器13内のガス流れがコ字状になるように内部に仕切り壁175が設けられている。燃焼器17は、改質器13内のガス流れがコ字状になるように、コ字形状になっている。
As shown in FIGS. 10 and 11, the
そして、改質器13を燃焼器17で挟みこむことにより、水蒸気改質運転時における改質器13から外部への放熱を抑制するようにしている。
Then, by sandwiching the
本実施形態によると、水蒸気改質運転時の外部への放熱を抑制するとともに、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to the present embodiment, it is possible to suppress the heat radiation to the outside during the steam reforming operation and to obtain the same effect as that of the first embodiment.
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be appropriately changed within the scope described in the claims.
なお、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。 The above embodiments are not irrelevant to each other and can be combined as appropriate unless the combination is clearly impossible.
また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 In each of the above-described embodiments, it is needless to say that elements constituting the embodiment are not necessarily essential unless explicitly stated as essential and clearly considered essential in principle. Yes.
また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。 Further, in each of the above embodiments, when numerical values such as the number, numerical value, quantity, range, etc. of the constituent elements of the embodiment are mentioned, it is clearly limited to a specific number when clearly indicated as essential and in principle. The number is not limited to the specific number except for the case.
また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。 Further, in each of the above embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of the component, etc., the shape, unless otherwise specified and in principle limited to a specific shape, positional relationship, etc. It is not limited to the positional relationship or the like.
10 燃料電池
13 改質器
17 燃焼器
111 燃料ガスの出口部
141 改質対象流体の入口部
161 改質対象流体の入口部
181 燃料の入口部
191 空気の入口部
241 昇温用ガスの出口部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
改質対象流体を触媒にて改質して前記燃料ガスを生成する改質器(13)と、
空気と燃料を燃焼させて前記改質器を昇温させるための昇温用ガスを生成する燃焼器(17)とを備え、
前記改質器と前記燃焼器は、熱伝達可能に接触して配置され、
前記燃焼器における前記空気の入口部(191)は、前記改質器における前記改質対象流体の入口部(141、161)に隣接して配置され、
前記燃焼器における前記昇温用ガスの出口部(241)は、前記改質器における前記燃料ガスの出口部(111)に隣接して配置され、
前記燃焼器における前記燃料の入口部(181)は、部分酸化改質運転時に前記改質器内において高温になる改質器内高温部位(a)に隣接する位置よりも、前記燃焼器内のガス流れ下流側に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (10) for generating electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas;
A reformer (13) that reforms a fluid to be reformed with a catalyst to generate the fuel gas;
A combustor (17) for generating a temperature raising gas for raising the temperature of the reformer by burning air and fuel,
The reformer and the combustor are arranged in contact with each other so that heat can be transferred,
The inlet portion (191) of the air in the combustor is disposed adjacent to the inlet portion (141, 161) of the reforming target fluid in the reformer,
The temperature raising gas outlet (241) in the combustor is disposed adjacent to the fuel gas outlet (111) in the reformer,
The fuel inlet portion (181) in the combustor is located in the combustor rather than a position adjacent to the high temperature portion (a) in the reformer that becomes high in the reformer during the partial oxidation reforming operation. A fuel cell system, wherein the fuel cell system is disposed downstream of a gas flow.
前記燃焼器に供給する前記空気の流量を変化させる流量調整弁(20)とを備え、
前記温度検出手段にて検出した前記改質器内高温部位の温度に応じて前記流量調整弁を作動させて、前記空気の流量を調整することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 Temperature detecting means (132) for detecting the temperature of the high temperature portion in the reformer;
A flow rate adjusting valve (20) for changing the flow rate of the air supplied to the combustor,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow rate of the air is adjusted by operating the flow rate adjustment valve in accordance with the temperature of the high temperature portion in the reformer detected by the temperature detection unit. .
前記燃焼器は、L字形状であり、
前記改質器における隣接する2つの面と前記燃焼器における隣接する2つの面が、熱伝達可能に接触していることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 The reformer is a rectangular parallelepiped,
The combustor is L-shaped,
4. The fuel cell according to claim 1, wherein two adjacent surfaces of the reformer and two adjacent surfaces of the combustor are in contact with each other so as to allow heat transfer. system.
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