JP4003130B2 - Fuel cell power generator and its operation method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系原燃料ガスを触媒により水素リッチな改質ガスに変換する改質器を備える燃料電池発電装置、特に、改質ガスバイパスラインを設けた固体高分子電解質型燃料電池とその運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約80℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。
【0003】
この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス(都市ガス)等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採用されている(前記基本的システム構成は、例えば、特許文献1参照)。
【0004】
前記改質を定常的に行なうには、所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。
【0005】
一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とする方法が、通常採用されている。
【0006】
また、燃料電池の電気化学反応では反応に伴って熱が発生し、この排熱エネルギーの一部は、貯湯槽に温水として貯え、給湯もしくは暖房に供される。
【0007】
図4は、都市ガスを原燃料とする従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図であり、特許文献1に開示されたものに対して、電池冷却水系機器や回収水機器等々を追加して、より詳細なシステム構成を示す。
【0008】
図4において、模式的に示した燃料電池1は、燃料極1aと空気極1bとを有する単位セルを複数個重ねる毎に、図示しない冷却管または冷却溝を有する冷却板1cを配設,積層することにより構成されている。
【0009】
原燃料はまず改質用水蒸気とともに改質器3に供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素に改質される。改質用の触媒としては、貴金属系触媒またはニッケル系触媒が用いられる。
【0010】
CH4+H2O→3H2+CO (吸熱反応)
その後、この改質ガスは、CO変成器4に供給され、以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は1%程度まで低減される。CO変成用触媒としては、貴金属系触媒または銅−亜鉛系触媒が用いられる。
【0011】
CO+H2O→H2+CO2 (発熱反応)
その後、さらにCO除去器5に供給され、図示しない選択酸化空気ブロアによって供給された空気によりCOを選択酸化する以下の反応により、改質ガス中の一酸化炭素は10ppm程度まで低減された後、燃料電池の燃料極1aに供給される。
【0012】
CO+1/2O2→CO2 (発熱反応)
上記の如く、改質器3において改質反応を行う場合、水蒸気を供給する必要があり、固体高分子型燃料電池発電装置では、その熱源として改質器3の燃焼排ガスの顕熱,CO変成器4及びCO除去器5の反応熱を利用するのが一般的である。そのため、電池冷却水循環ポンプ54にて供給される改質用水を、CO変成器4,CO除去器5,水蒸気発生器24の各反応器を直列に順次流すための改質用水蒸気供給ライン25を設け、前記各反応器から熱を受けて水蒸気とし、この水蒸気と原燃料とを混合して、改質用水蒸気供給ライン25から改質器3へ導入する構成としている。なお、図4においては、CO変成器4,CO除去器5への前記改質用水の通流ラインを省略している。
【0013】
又、上記の各反応器は触媒による化学反応を行うため、燃料電池発電装置の起動時には、適正な温度に予め昇温する必要がある。
各反応器の適正な温度は以下のとおりである。改質器:500〜700℃、CO変成器:200〜300℃、CO除去器:100〜250゜Cである。
【0014】
このため、改質器3は、燃料電池の排水素供給ライン19から供給される水素を改質器内に設置されているバーナで燃焼させることで、通常時は加熱されているが、起動時には原燃料をバーナで燃焼させることにより昇温している。また、改質器の燃焼排ガスにより水蒸気発生器24も昇温している。一方、CO変成器4とCO除去器5とは、それぞれが個々に備える図示しない電気ヒータにより昇温している。前記バーナには、燃焼空気ブロア6により、燃焼用空気が導入される。なお、7は、燃料電池本体の空気極に反応用の空気およびCO除去器におけるCO選択酸化用の空気を供給するための反応空気ブロアである。
【0015】
また、都市ガスは、都市ガス昇圧ブロア27により、まず脱硫器2へ導入され、都市ガス内に含まれる硫黄成分が除去された後、改質器3の触媒反応器へ導入され、前記燃焼排ガスにより熱の供給を受けながら改質され、水素リッチな燃料ガスとなる。
【0016】
次に、図4における燃料電池の冷却水系機器50および回収水系機器30について以下に述べる。冷却水系機器50は、電池冷却水冷却器51と、カソードオフガス冷却器52と、燃焼排ガスの排ガス冷却器53と、純水タンク55と、電池冷却水循環ポンプ54、その他配管等を含む。
【0017】
燃料電池1は、前述のように約80℃で運転され、前記電池冷却水循環ポンプ54によって、純水タンク55から通流される水によって冷却され、電池冷却水冷却器51によって除熱される。電池冷却水冷却器51には、図4には図示しない貯湯槽に接続される循環水導出ライン56から供給される、例えば約50℃の水が導入され、ここで電池冷却水を冷却した水は、その後、カソードオフガス冷却器52および燃焼排ガスの排ガス冷却器53を経由して、例えば約60℃に昇温されて、循環水導出ライン57から前記貯湯槽に還流する。前記純水タンク55には、液面計が設けてあり、液面が下限に到達した際には、後述する回収水が、水処理装置35を介して、間歇的に補給される。
【0018】
次に、回収水系機器30について述べる。回収水系機器30は、回収水タンク31と、回収水ポンプ33と、回収水冷却器34等からなる。前記回収水タンク31の上部には、カソードオフガス冷却器52および燃焼排ガスの排ガス冷却器53により冷却されたオフ空気および燃焼排ガスが導入され、空気およびガス中の含有水分を、上部に設けた散水装置から冷却水を散布することにより凝縮して、回収水タンク31の下部に回収する。この回収水を、回収水冷却器34により冷却して、前記散水装置に導入する。この散水装置の後段には、ラシヒリング等の充填層を備えた冷却水直接接触式凝縮器を設ける場合もある。
【0019】
この場合、水蒸気を含むオフ空気と燃焼排ガスを、図4には図示しない充填層下部から上方に通流し、一方、上部から回収水冷却器34で冷却された40℃程度の回収水を散水して、充填層部分でガスと冷却水を直接接触させながら、空気およびガス中の水蒸気分を凝縮・回収するものであり、簡単な構造で、回収効率が向上する利点がある。
【0020】
上記回収水は、前述のように、水処理装置で純化され補給水として用いられる。なお、回収水タンク31の下部にも液面計が設けられ、回収水タンク内の水が不足した場合には、補給水として市水(水道水)が供給され、この市水は水処理装置で純化される。
【0021】
ところで、上記のような燃料電池発電装置を起動,発電する際には、改質器,燃料電池本体等の温度を昇温させた後に発電を開始する必要がある。改質系の昇温,定常運転に至る概略の工程を以下に列記する。
▲1▼都市ガス等の原燃料をバーナで燃焼させて得る熱と、電気ヒータの通電により得る熱で、改質系機器の触媒を昇温。
▲2▼改質系触媒が一定値まで昇温した後、改質系触媒に都市ガス等の原燃料を導入し、生成された改質ガス(水素リッチガス)を改質器のバーナで燃焼させつつ、各改質系触媒を発電に好適なガスが生成される温度まで昇温させる。このとき、生成される改質ガスは、燃料電池本体をバイパスする。
▲3▼各改質系触媒,燃料電池本体等の温度が発電に適切である事を検知した後、改質ガスを燃料電池本体に導入し、発電状態に至る。
【0022】
なお、前記▲2▼において、燃料電池本体をバイパスして改質ガスを改質器バーナに導入する理由は、この時点における改質ガスが、昇温途上の改質系機器を通過しているため、十分にガス組成が整っておらず、ガス中に燃料電池触媒の被毒物質である一酸化炭素COが数%から数千ppmの高い濃度で含まれているためである。COは、数10ppmオーダーでも燃料電池本体の白金触媒に作用して発電性能を著しく阻害するため、通常は燃料電池本体をバイパスする改質ガスバイパスラインを設け、昇温途上の改質系機器を通過した高CO濃度改質ガスが、燃料電池本体に導入されないよう設計されている。
【0023】
しかしながら、前記改質ガスバイパスラインは、改質器のバーナ部もしくはその手前で、燃料電池本体の燃料極出口配管と合流しているため、燃料極出口配管を通じて、高CO濃度ガスが拡散し、この拡散ガスが電池本体に到達した場合には、発電性能への悪影響が避けられない。そこで、この拡散を防止するために、燃料電池本体の燃料極出口配管において、燃料電池本体の燃料極出口と改質ガスバイパスライン合流部までの間に、窒素等の不活性ガスを導入するシステム、もしくは、電磁弁で閉止するシステムとするのがよいと考え、本願発明者等は、これらのシステムを従来から検討してきた。
【0024】
図2は、前記不活性ガスを導入する従来の燃料電池発電装置の概略システム構成の一例を示し、図3は、前記電磁弁で閉止する概略システム構成の一例を示す。図2および図3において、図4における構成部材と同一機能を有する部材には同一番号を付して、その詳細説明を省略する。また、図4における冷却水系機器や回収水系機器等々、その一部を簡略化して示す。
【0025】
図2において、図4と異なる構成部材は、電池バイパス弁10、改質ガスバイパスライン18、CO拡散防止窒素導入ライン13、窒素用電磁弁11である。
【0026】
同図において、CO拡散防止窒素導入ライン13は、図示のように、排水素供給ライン19に接続され、燃料電池本体1から排出される排水素は、排水素供給ライン19により改質器3用のバーナに供給されるように構成されている。
【0027】
上記構成において、改質系機器昇温途上に生成される高CO濃度改質ガスは、電池バイパス弁10により燃料電池本体1をバイパスし、改質器3のバーナ部へ導入されるが、CO拡散防止窒素導入ライン13から窒素等の不活性ガスを微量パージすることにより、燃料電池本体1の燃料極1a出口部に、高CO濃度改質ガスがガス拡散するのを防止することができる。
【0028】
次に、図3について述べる。図3において図2と相違点するは、図2におけるCO拡散防止窒素導入ライン13に代えて、排水素供給ライン19上に、図示のようにCO拡散防止弁15および安全弁16を設けた点である。図3においては、CO拡散防止弁15(電磁弁)により、燃料電池本体1の燃料極1a出口部に、高CO濃度改質ガスがガス拡散するのを防止することができる。なお、前記安全弁16は、CO拡散防止弁15の動作不良時等に燃料電池本体に過大圧が加わる恐れがあるので、燃料電池本体1の保全および発電装置保安確保の観点から設けられる。
【0029】
【特許文献1】
特開2002−124288号公報(第2−3頁、図2)
【0030】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図2や図3に示すような、これまで検討された従来の燃料電池発電装置においては、下記のような問題点があった。
【0031】
前記の従来装置の場合には、高CO濃度改質ガスの拡散から燃料電池本体を保護するために、不活性ガス設備の設置や高価な安全弁の設置が必要であり、また、これらはいずれも定期的なメンテナンスが必要となる。そのため、今後に燃料電池発電装置の普及が見込まれる家庭や小規模店舗等の燃料電池発電装置の設置を想定した場合、前記不活性ガス設備や安全弁の設置およびメンテナンスに関わるコストならびにメンテナンス体制の整備が問題となり、これらが、普及を阻害する要因となる恐れがある。
【0032】
この発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、高CO濃度改質ガスの燃料電池本体への拡散を防止し、かつ、メンテナンス性に優れて安価な燃料電池発電装置とその運転方法を提供することにある。
【0033】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明においては、炭化水素系原燃料ガスを触媒により水素リッチな改質ガスに変換する改質器と、前記改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応に基づいて発電する燃料電池本体と、燃料電池本体から排出される排水素を前記改質器用のバーナに供給する排水素供給ラインと、発電開始前において高濃度のCOを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように燃料電池本体をバイパスさせるために設けた改質ガスバイパスラインとを有し、前記バイパスした改質ガスを前記排水素供給ラインに導入する構成を備えた燃料電池発電装置の運転方法において、
前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に、空気導入ラインを接続し、
発電開始前は、前記高濃度のCOを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように前記空気導入ラインから空気を導入し、発電開始以降は、前記空気の導入を停止して、燃料電池本体から排出される排水素を前記改質器用のバーナに供給する(請求項1の発明)。
【0034】
また、上記方法を実施するための装置としては、下記請求項2ないし5の発明が好ましい。即ち、請求項1に記載の運転方法を実施するための燃料電池発電装置であって、前記改質器と、燃料電池本体と、排水素供給ラインと、電池バイパス弁を有する改質ガスバイパスラインと、前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に接続した空気導入ラインと、この空気導入ラインに空気を送出する空気ブロワと、発電開始前および開始後の前記空気導入ラインからの空気の導入の開始および停止の切り替えを行なう制御装置とを備えるものとする(請求項2の発明)。
【0035】
上記のように、この発明においては、高CO濃度改質ガスの拡散から燃料電池本体を保護するために、発電開始前に、空気ブロワから送出される空気を導入することにより、発電システムをメンテナンス性に優れたものとし、また低コストとすることができる。
【0036】
また前記請求項2の発明の実施態様としては、下記請求項3の発明が好ましい。即ち、請求項2に記載の燃料電池発電装置において、前記空気ブロワは、燃料電池発電装置に内蔵され、前記空気送出用として専用に設ける空気ブロワ以外の他目的用に設けた空気ブロワと兼用するものとする(請求項3の発明)。
【0037】
さらに、前記請求項3に記載の燃料電池発電装置において、前記兼用する空気ブロワは、燃料電池本体用の反応空気ブロワ、改質器用の燃焼空気ブロワ、CO除去器用の選択酸化空気ブロワの内のいずれかとする(請求項4の発明)。これにより、装置が合理化され、より低コスト化が図れる。
【0038】
さらにまた、前記請求項2ないし4のいずれか1項に記載の燃料電池発電装置において、前記空気の導入の開始および停止の切り替えを行なう制御装置は、前記空気導入ライン上に設けた電磁弁を備えるものとする(請求項5の発明)。これにより、電磁弁の開閉制御により必要時のみ空気を送出するとともに、ブロワ側へ改質ガスが逆流する事を防止することができる。
【0039】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【0040】
図1は、この発明に関わる実施例を示す概略システム系統図であり、図2と同じ機能を有する構成部材には同一番号を付して、その詳細説明を省略する。
【0041】
図1と図2との相違点は、図1においては、排水素供給ライン19上に、図2におけるCO拡散防止用の窒素導入ライン13および窒素用電磁弁11に代えて、空気導入ライン17および空気用電磁弁12を設けた点である。
【0042】
図1の構成によれば、高CO改質ガスが生じる発電前の改質系機器昇温工程の間は、空気ブロワ14から空気を送出する事で、高CO改質ガスの燃料電池本体1へのガス拡散を防止することができる。また、空気導入ライン17に電磁弁12を設けることにより、必要時のみ空気を送出するとともに、空気ブロワ14側へ改質ガスが逆流する事を防止する事が可能となる。
【0043】
上記構成により、メンテナンスが必要である不活性ガスの設置、同じくメンテナンスが必要でかつ高価な安全弁の設置を実施することなく、安全で信頼性の高い燃料電池発電装置の提供が可能となる。なお、前記空気ブロワ14は、燃料電池発電装置を構成する上で必須の他の空気ブロワ、すなわち燃焼空気ブロワ6,反応空気ブロワ7,図示しない選択酸化空気ブロワと兼用する事が可能であり、燃料電池発電装置に内蔵されている前記空気ブロワから送出される空気の一部を分岐して導入することにより、装置の合理化と低コスト化が図れる。
【0044】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、炭化水素系原燃料ガスを触媒により水素リッチな改質ガスに変換する改質器と、前記改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応に基づいて発電する燃料電池本体と、燃料電池本体から排出される排水素を前記改質器用のバーナに供給する排水素供給ラインと、発電開始前において高濃度のCOを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように燃料電池本体をバイパスさせるために設けた改質ガスバイパスラインとを有し、前記バイパスした改質ガスを前記排水素供給ラインに導入する構成を備えた燃料電池発電装置の運転方法において、前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に、空気導入ラインを接続し、発電開始前は、前記高濃度のCOを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように前記空気導入ラインから空気を導入し、発電開始以降は、前記空気の導入を停止して、燃料電池本体から排出される排水素を前記改質器用のバーナに供給することとし、
また、上記方法を実施するための装置として、前記改質器と、燃料電池本体と、排水素供給ラインと、電池バイパス弁を有する改質ガスバイパスラインと、前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に接続した空気導入ラインと、この空気導入ラインに空気を送出する空気ブロワと、発電開始前および開始後の前記空気導入ラインからの空気の導入の開始および停止の切り替えを行なう制御装置とを備えるものとしたので、
高CO濃度改質ガスの燃料電池本体への拡散を防止し、かつ、メンテナンス性に優れて安価な燃料電池発電装置とその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の燃料電池発電装置の実施例に関わる概略システム系統図
【図2】従来の燃料電池発電装置の一例を示す概略システム系統図
【図3】従来の異なる燃料電池発電装置の一例を示す概略システム系統図
【図4】従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図
【符号の説明】
1:燃料電池本体、3:改質器、4:CO変成器、5:CO除去器、6:燃焼空気ブロワ、7:反応空気ブロワ、10:電池バイパス弁、12:空気用電磁弁、14:空気ブロワ、17:空気導入ライン、18:改質ガスバイパスライン、19:排水素供給ライン。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generator including a reformer that converts hydrocarbon-based raw fuel gas into hydrogen-rich reformed gas using a catalyst, in particular, a solid polymer electrolyte fuel cell provided with a reformed gas bypass line, and It relates to the driving method.
[0002]
[Prior art]
There are various types of fuel cells incorporated in the fuel cell power generator, depending on the type of electrolyte, the type of reforming raw material, and the like. For example, a solid polymer membrane is used as the electrolyte, and the operating temperature is about 80 ° C. A solid polymer electrolyte fuel cell is well known as a relatively low type fuel cell.
[0003]
This solid polymer electrolyte fuel cell is similar to a phosphoric acid fuel cell, for example, in hydrogen and air in a fuel gas obtained by steam reforming a hydrocarbon-based raw fuel such as methane gas (city gas). Oxygen is supplied to the fuel electrode and the air electrode of the fuel cell, respectively, and electricity is generated based on the electrochemical reaction. Further, when reforming raw fuel into fuel gas, a method is adopted in which steam is added to the raw fuel and reforming is promoted by a catalyst in a fuel reformer (the basic system configuration is, for example, Patent Document 1).
[0004]
In order to perform the reforming constantly, it is necessary to constantly replenish the required amount of water vapor, and it is necessary to constantly replenish the water vapor supply device with water corresponding thereto. The water to be used needs to be high-purity water, and ion-exchanged water from which impurities have been removed by an ion-exchange type water treatment device is usually used.
[0005]
On the other hand, in the electrochemical reaction of the fuel cell, power generation product water is generated, and in the fuel reformer, combustion product water is generated with combustion for catalyst heating for performing a steam reforming reaction which is an endothermic reaction constantly. These generated waters have fewer impurities than normal tap water, and if these generated waters are used as raw water, the load on the water treatment device can be reduced. Therefore, a recovery water tank and an exhaust gas cooler are added. A method of recovering these generated waters to obtain supply water for generating reformed steam is usually employed.
[0006]
Further, in the electrochemical reaction of the fuel cell, heat is generated along with the reaction, and a part of the exhaust heat energy is stored as hot water in a hot water storage tank and supplied for hot water supply or heating.
[0007]
FIG. 4 is a system diagram showing an example of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell power generation device using city gas as a raw fuel. Compared with that disclosed in Patent Document 1, battery cooling water system equipment and recovered water are shown. A more detailed system configuration is shown by adding devices and the like.
[0008]
In FIG. 4, a fuel cell 1 schematically shown includes a cooling plate 1c having a cooling pipe or a cooling groove (not shown) arranged and stacked each time a plurality of unit cells each having a
[0009]
The raw fuel is first supplied to the reformer 3 together with the reforming steam, and reformed into hydrogen and carbon monoxide by the following reaction. As the reforming catalyst, a noble metal catalyst or a nickel catalyst is used.
[0010]
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (endothermic reaction)
Thereafter, the reformed gas is supplied to the
[0011]
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (exothermic reaction)
After that, carbon monoxide in the reformed gas is reduced to about 10 ppm by the following reaction that is further supplied to the CO remover 5 and selectively oxidized with air supplied by a selective oxidizing air blower (not shown). It is supplied to the
[0012]
CO + 1 / 2O 2 → CO 2 (exothermic reaction)
As described above, when the reforming reaction is performed in the reformer 3, it is necessary to supply water vapor. In the polymer electrolyte fuel cell power generator, the sensible heat of the combustion exhaust gas from the reformer 3 and CO conversion are used as the heat source. In general, the heat of reaction of the
[0013]
In addition, since each of the reactors performs a chemical reaction using a catalyst, it is necessary to raise the temperature to an appropriate temperature in advance when the fuel cell power generator is started.
Appropriate temperatures for each reactor are as follows. Reformer: 500 to 700 ° C, CO converter: 200 to 300 ° C, CO remover: 100 to 250 ° C.
[0014]
For this reason, the reformer 3 is normally heated by burning the hydrogen supplied from the exhaust
[0015]
Further, the city gas is first introduced into the
[0016]
Next, the cooling
[0017]
The fuel cell 1 is operated at about 80 ° C. as described above, cooled by the water flowing from the
[0018]
Next, the recovered
[0019]
In this case, off-air containing steam and combustion exhaust gas are allowed to flow upward from the lower part of the packed bed (not shown in FIG. 4), while the recovered water at about 40 ° C. cooled by the recovered water cooler 34 is sprinkled from the upper part. Thus, the gas and the cooling water are brought into direct contact with each other in the packed bed portion, and the water and the water vapor in the gas are condensed and recovered, and there is an advantage that the recovery efficiency is improved with a simple structure.
[0020]
As described above, the recovered water is purified by a water treatment device and used as makeup water. A liquid level gauge is also provided at the bottom of the recovered water tank 31, and when the water in the recovered water tank is insufficient, city water (tap water) is supplied as make-up water. It is purified by.
[0021]
By the way, when starting and generating the fuel cell power generator as described above, it is necessary to start the power generation after raising the temperature of the reformer, the fuel cell main body, and the like. The outline of the process to raise the temperature of the reforming system and steady operation is listed below.
(1) The temperature of the catalyst of the reforming system is raised by the heat obtained by burning the raw fuel such as city gas with the burner and the heat obtained by energizing the electric heater.
(2) After the temperature of the reforming catalyst rises to a certain value, raw gas such as city gas is introduced into the reforming catalyst, and the generated reformed gas (hydrogen rich gas) is burned by the burner of the reformer. Meanwhile, each reforming catalyst is heated to a temperature at which a gas suitable for power generation is generated. At this time, the generated reformed gas bypasses the fuel cell main body.
(3) After detecting that the temperature of each reforming catalyst, fuel cell main body, etc. is appropriate for power generation, the reformed gas is introduced into the fuel cell main body, and the power generation state is reached.
[0022]
In the above item (2), the reason for introducing the reformed gas into the reformer burner by bypassing the fuel cell main body is that the reformed gas at this point is passing through the reforming equipment on the way of raising the temperature. Therefore, the gas composition is not sufficiently prepared, and carbon monoxide CO, which is a poisoning substance of the fuel cell catalyst, is contained in the gas at a high concentration of several percent to several thousand ppm. CO, even on the order of several tens of ppm, acts on the platinum catalyst of the fuel cell main body and significantly impedes power generation performance. Therefore, a reforming gas bypass line that bypasses the fuel cell main body is usually provided, The high CO concentration reformed gas that has passed is designed not to be introduced into the fuel cell body.
[0023]
However, since the reformed gas bypass line merges with the fuel electrode outlet piping of the fuel cell main body at or before the burner portion of the reformer, the high CO concentration gas diffuses through the fuel electrode outlet piping, When this diffusion gas reaches the battery body, an adverse effect on power generation performance is unavoidable. Therefore, in order to prevent this diffusion, a system that introduces an inert gas such as nitrogen between the fuel electrode outlet of the fuel cell main body and the reformed gas bypass line junction in the fuel electrode outlet piping of the fuel cell main body. Alternatively, the inventors of the present application have considered these systems in the past, considering that it is preferable to use a system that closes with an electromagnetic valve.
[0024]
FIG. 2 shows an example of a schematic system configuration of a conventional fuel cell power generation apparatus that introduces the inert gas, and FIG. 3 shows an example of a schematic system configuration that is closed by the electromagnetic valve. 2 and 3, members having the same functions as those in FIG. 4 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted. Further, some of the cooling water system equipment, the recovered water system equipment, etc. in FIG. 4 are shown in a simplified manner.
[0025]
In FIG. 2, components different from those in FIG. 4 are a battery bypass valve 10, a reformed
[0026]
In the figure, a CO diffusion prevention nitrogen introduction line 13 is connected to an exhaust
[0027]
In the above-described configuration, the high CO concentration reformed gas generated during the reforming apparatus temperature rise bypasses the fuel cell main body 1 by the battery bypass valve 10 and is introduced into the burner portion of the reformer 3. By purging a small amount of inert gas such as nitrogen from the diffusion preventing nitrogen introduction line 13, it is possible to prevent the high CO concentration reformed gas from diffusing into the outlet of the
[0028]
Next, FIG. 3 will be described. 3 differs from FIG. 2 in that a CO
[0029]
[Patent Document 1]
JP 2002-124288 A (page 2-3, FIG. 2)
[0030]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, the conventional fuel cell power generators that have been studied so far as shown in FIGS. 2 and 3 have the following problems.
[0031]
In the case of the above-described conventional apparatus, it is necessary to install an inert gas facility or an expensive safety valve in order to protect the fuel cell main body from the diffusion of the high CO concentration reformed gas. Regular maintenance is required. Therefore, when it is assumed that fuel cell power generation devices will be installed in homes and small-scale stores where fuel cell power generation devices are expected to become popular in the future, the costs and maintenance system related to the installation and maintenance of the inert gas facilities and safety valves are improved. May become a problem, and these may become a factor that hinders the spread.
[0032]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to prevent the diffusion of a high CO concentration reformed gas into the fuel cell main body, and has excellent maintainability and an inexpensive fuel cell power generation. It is to provide an apparatus and a method for operating the apparatus.
[0033]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, in the present invention, a reformer that converts a hydrocarbon-based raw fuel gas into a hydrogen-rich reformed gas using a catalyst, and an electrochemical reaction between the reformed gas and an oxidant gas. A fuel cell body that generates electricity based on the fuel cell, a waste hydrogen supply line that supplies exhaust hydrogen discharged from the fuel cell body to the burner for the reformer, and fuel reformed gas containing high-concentration CO before power generation is started And a reformed gas bypass line provided for bypassing the fuel cell main body so as not to be introduced into the battery main body, and the fuel cell power generator having a configuration for introducing the bypassed reformed gas into the exhaust hydrogen supply line In the driving method of
An air introduction line is connected to the fuel cell main body side from the bypass reformed gas introduction part on the exhaust hydrogen supply line,
Before the start of power generation, air is introduced from the air introduction line so that the reformed gas containing high-concentration CO is not introduced into the fuel cell body, and after the start of power generation, the introduction of the air is stopped, and the fuel cell Waste hydrogen discharged from the main body is supplied to the burner for the reformer (invention of claim 1).
[0034]
Further, as an apparatus for carrying out the above method, the inventions of the following
[0035]
As described above, in the present invention, in order to protect the fuel cell main body from the diffusion of the high CO concentration reformed gas, the power generation system is maintained by introducing the air sent from the air blower before the start of power generation. It is possible to reduce the cost.
[0036]
As an embodiment of the invention of
[0037]
Further, in the fuel cell power generator according to claim 3, the combined air blower is one of a reaction air blower for a fuel cell main body, a combustion air blower for a reformer, and a selective oxidation air blower for a CO remover. Any of them (the invention of claim 4). As a result, the apparatus can be rationalized and the cost can be further reduced.
[0038]
Furthermore, in the fuel cell power generator according to any one of
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0040]
FIG. 1 is a schematic system diagram showing an embodiment relating to the present invention. Constituent members having the same functions as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0041]
The difference between FIG. 1 and FIG. 2 is that, in FIG. 1, an air introduction line 17 is provided on the exhaust
[0042]
According to the configuration of FIG. 1, the fuel cell body 1 of high CO reformed gas is sent by sending air from the air blower 14 during the reforming equipment temperature raising process before power generation in which high CO reformed gas is generated. Gas diffusion into the can be prevented. Further, by providing the
[0043]
With the above configuration, it is possible to provide a safe and highly reliable fuel cell power generation apparatus without installing an inert gas that requires maintenance, and also installing an expensive safety valve that also requires maintenance. The air blower 14 can also be used as another air blower essential for constituting a fuel cell power generator, that is, a
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a reformer that converts a hydrocarbon-based raw fuel gas into a hydrogen-rich reformed gas using a catalyst, and power generation based on an electrochemical reaction between the reformed gas and an oxidant gas. Fuel cell main body, exhaust hydrogen supply line for supplying exhaust hydrogen discharged from the fuel cell main body to the reformer burner, and reformed gas containing high-concentration CO before power generation is introduced into the fuel cell main body And a reformed gas bypass line provided to bypass the fuel cell main body so that the bypassed reformed gas is introduced into the exhaust hydrogen supply line. An air introduction line is connected to the fuel cell main body side from the bypassed reformed gas introduction section on the exhaust hydrogen supply line, and before the start of power generation, the reformed gas containing the high concentration CO Air is introduced from the air introduction line so as not to be introduced into the fuel cell body, and after the start of power generation, the introduction of the air is stopped and the exhaust hydrogen discharged from the fuel cell body is supplied to the burner for the reformer. To do and
Further, as an apparatus for carrying out the method, the reformer, the fuel cell main body, the exhaust hydrogen supply line, the reformed gas bypass line having a battery bypass valve, and the exhaust hydrogen supply line are provided. An air introduction line connected to the fuel cell main body side from the bypassed reformed gas introduction part, an air blower for sending air to the air introduction line, and air from the air introduction line before and after the start of power generation Because it is equipped with a control device that switches between start and stop of introduction,
It is possible to provide a low-cost fuel cell power generator and an operation method thereof that prevent diffusion of a high CO concentration reformed gas into the fuel cell main body and that are excellent in maintainability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic system diagram related to an embodiment of a fuel cell power generator according to the present invention. FIG. 2 is a schematic system diagram showing an example of a conventional fuel cell power generator. Schematic system diagram showing an example. Fig. 4 System diagram showing an example of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell power generator.
1: fuel cell main body, 3: reformer, 4: CO converter, 5: CO remover, 6: combustion air blower, 7: reaction air blower, 10: battery bypass valve, 12: solenoid valve for air, 14 : Air blower, 17: Air introduction line, 18: Reformed gas bypass line, 19: Waste hydrogen supply line.
Claims (5)
前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に、空気導入ラインを接続し、
発電開始前は、前記高濃度のCOを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように前記空気導入ラインから空気を導入し、発電開始以降は、前記空気の導入を停止して、燃料電池本体から排出される排水素を前記改質器用のバーナに供給することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。From a reformer that converts hydrocarbon-based raw fuel gas into hydrogen-rich reformed gas using a catalyst, a fuel cell body that generates electricity based on an electrochemical reaction between the reformed gas and an oxidant gas, and a fuel cell body An exhaust hydrogen supply line for supplying exhaust hydrogen exhaust to the reformer burner, and for bypassing the fuel cell body so as not to introduce reformed gas containing high-concentration CO into the fuel cell body before the start of power generation A reformed gas bypass line provided in the fuel cell power generation apparatus having a configuration for introducing the bypassed reformed gas into the exhaust hydrogen supply line,
An air introduction line is connected to the fuel cell main body side from the bypass reformed gas introduction part on the exhaust hydrogen supply line,
Before the start of power generation, air is introduced from the air introduction line so that the reformed gas containing high-concentration CO is not introduced into the fuel cell body, and after the start of power generation, the introduction of the air is stopped, and the fuel cell An operation method of a fuel cell power generator, characterized in that exhaust hydrogen discharged from a main body is supplied to a burner for the reformer.
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