JP4961769B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、炭化水素等の改質原料を改質して生成した水素含有ガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system in which a hydrogen-containing gas generated by reforming a reforming raw material such as hydrocarbon is supplied to a fuel cell to generate electric power.
水蒸気改質によって硫黄化合物を含む炭化水素から水素リッチなガスを得る燃料改質装置において、硫黄被毒により改質触媒の触媒活性が低下した場合に、改質触媒を内蔵する改質部を加熱部で加熱すると共に該改質部に不活性ガス又は水蒸気ガスを所定時間供給することで、改質触媒の触媒活性を回復させる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような触媒活性の回復作業は、燃料改質装置の立ち上げ操作、停止操作、通常運転操作以外の時間帯に行われる。
しかしながら、上記の如き従来の技術では、触媒活性の回復作業の際には、加熱部に対し改質部を加熱するための燃料、電力、熱量等のエネルギ、すなわち改質部の運転(水素リッチガスの生成)には直接的に寄与しないエネルギを供給する必要があり、エネルギロスが大きい問題があった。特に、触媒活性を回復させるために水蒸気ガスを用いる場合には、水を水蒸気にするための潜熱相当のエネルギがさらに要求されるので、エネルギロスの問題が顕著になり、エネルギ効率の観点から改善の余地がある。 However, in the conventional technology as described above, when recovering the catalytic activity, energy such as fuel, electric power, and heat for heating the reforming unit with respect to the heating unit, that is, operation of the reforming unit (hydrogen rich gas) In order to generate a large amount of energy loss, it is necessary to supply energy that does not contribute directly. In particular, when steam gas is used to recover the catalyst activity, energy equivalent to latent heat for converting water into steam is further required, so that the problem of energy loss becomes significant and is improved from the viewpoint of energy efficiency. There is room for.
本発明は、上記事実を考慮して、改質触媒の触媒活性を効率的に回復させることができる燃料電池システムを得ることが目的である。 An object of the present invention is to obtain a fuel cell system capable of efficiently recovering the catalytic activity of a reforming catalyst in consideration of the above facts.
上記目的を達成するために請求項1記載の発明に係る燃料電池システムは、改質触媒を用いて硫黄成分を含む改質原料から水素含有ガスを生成する改質部と、前記水素含有ガス中の水素を消費して発電を行い、該発電に伴ってカソード電極側で水を生成する燃料電池と、前記改質部への前記改質原料の供給停止後でかつ前記カソード電極から排出されるカソードオフガスを前記改質部に供給する供給ラインの圧力を上昇させるガス貯留工程を行った後に、前記カソードオフガスを所定時間に亘り前記改質部に供給することで、前記改質触媒の活性を回復するための再生工程を行う触媒再生手段と、を備えている。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a reforming unit that generates a hydrogen-containing gas from a reforming raw material containing a sulfur component using a reforming catalyst, and the hydrogen-containing gas to generate electricity by consuming hydrogen is discharged and the fuel cell to produce water at the cathode electrode side with the power-generating, from the after stop of the supply of reforming material and the cathode electrode to the reforming section After performing the gas storage step of increasing the pressure of the supply line for supplying the cathode off gas to the reforming unit, the cathode off gas is supplied to the reforming unit for a predetermined time, thereby increasing the activity of the reforming catalyst. And a catalyst regeneration means for performing a regeneration process for recovery.
請求項1記載の燃料電池システムでは、改質部が改質原料(改質燃料)を改質して生成された水素含有ガスが燃料電池(アノード電極)で消費されて発電が行われる。この発電に伴って燃料電池のカソード電極側では水が生成され、この水は水蒸気としてカソード電極から排出される。ところで、硫黄成分を含む改質原料を改質して水素含有ガスを生成させる改質部では、運転に伴って改質触媒が原料中の硫黄成分により被毒される。 In the fuel cell system according to the first aspect, the hydrogen-containing gas generated by the reforming unit reforming the reforming raw material (reformed fuel) is consumed by the fuel cell (anode electrode) to generate electric power. With this power generation, water is generated on the cathode electrode side of the fuel cell, and this water is discharged from the cathode electrode as water vapor. By the way, in a reforming section that reforms a reforming raw material containing a sulfur component to generate a hydrogen-containing gas, the reforming catalyst is poisoned by the sulfur component in the raw material during operation.
この硫黄被毒により活性が低下した改質触媒の触媒活性を回復するための再生工程を行う際に、触媒再生手段は、燃料電池からのカソードオフガスを改質部に供給する。このカソードオフガスは、上記の通り水蒸気を含み、かつ燃料電池の運転温度相当の温度を有するため、このカソードオフガスが供給された改質部では、改質触媒上の硫黄成分が除去され、触媒活性を回復することができる。すなわち、燃料電池で生成された水蒸気を含みかつ高温のカソードオフガスを利用することで、水蒸気生成のエネルギが不要で、また再生工程に必要な熱(エネルギ)の外部からの導入量を抑制する(導入しない場合を含む)ことができる。 When performing the regeneration process for recovering the catalytic activity of the reforming catalyst whose activity has been reduced by sulfur poisoning, the catalyst regeneration means supplies the cathode offgas from the fuel cell to the reforming section. Since this cathode off gas contains water vapor and has a temperature corresponding to the operating temperature of the fuel cell as described above, in the reforming section to which this cathode off gas is supplied, sulfur components on the reforming catalyst are removed and the catalytic activity is reduced. Can be recovered. That is, by using a high-temperature cathode off-gas containing water vapor generated in a fuel cell, the energy for generating water vapor is unnecessary, and the amount of heat (energy) necessary for the regeneration process is suppressed from the outside ( Including the case of not introducing it).
このように、請求項1記載の燃料電池システムでは、改質触媒の触媒活性を効率的に回復させることができる。なお、カソードオフガスに含まれる酸素は、水蒸気と共に改質部に導入されて改質触媒上の硫黄除去に寄与する(硫黄除去を促進する)。 Thus, in the fuel cell system according to claim 1, the catalytic activity of the reforming catalyst can be efficiently recovered. Note that oxygen contained in the cathode off-gas is introduced into the reforming unit together with water vapor and contributes to sulfur removal on the reforming catalyst (promotes sulfur removal).
また、本燃料電池システムでは、上記した改質触媒の活性を回復するための硫黄除去効果は、供給する水蒸気(及び酸素)の供給量よりも供給時間に依存するとの知見に基づいて、再生工程を行う際に触媒再生手段は、カソードオフガスを所定時間に亘って改質部に供給する。これにより、例えば同じ量の水蒸気(及び酸素)を短時間で改質部に供給する場合と比較して、効果的に改質触媒上の硫黄成分を除去することができ、触媒活性が良好に回復される。 Further, in the present fuel cell system, the regeneration process is based on the knowledge that the sulfur removal effect for recovering the activity of the reforming catalyst described above depends on the supply time rather than the supply amount of the supplied steam (and oxygen). When performing the above, the catalyst regeneration means supplies the cathode off gas to the reforming section over a predetermined time. Thereby, for example, compared with the case where the same amount of water vapor (and oxygen) is supplied to the reforming section in a short time, the sulfur component on the reforming catalyst can be effectively removed, and the catalytic activity is excellent. It will be recovered.
また、本燃料電池システムでは、再生工程において触媒再生手段は、カソードオフガスの改質部への供給開始前に、カソードオフガスの改質部への供給ラインの圧力を上昇させて該供給ラインにカソードオフガスを蓄える。その後、この供給ラインに蓄えたカソードオフガスを改質部に供給することで、上記の通り所定時間に亘り改質部にカソードオフガスを供給することが可能になる。すなわち、再生工程を行う際には、改質部への燃料供給停止に伴い水素含有ガスの生成が停止し、これによる燃料電池での発電停止に伴いカソード電極側での水(水蒸気)生成も停止するので、再生工程の開始からカソード電極側での水生成の停止までの時間は短い(ガス流れのタイムラグ分だけである)が、この短時間で生成される水(水蒸気)を圧力に変換して蓄えておくことで、水蒸気を含有するカソードオフガスを所定時間に亘って改質部に供給することが可能になる。 Further, in this fuel cell system, the catalyst regeneration means in the regeneration step increases the pressure of the supply line to the cathode offgas reforming section before starting the supply of the cathode offgas to the reforming section. Store off-gas. After that, by supplying the cathode offgas stored in the supply line to the reforming unit, the cathode offgas can be supplied to the reforming unit for a predetermined time as described above. That is, when the regeneration process is performed, the generation of hydrogen-containing gas is stopped with the stop of fuel supply to the reforming section, and the generation of water (steam) on the cathode electrode side is also stopped with the stoppage of power generation in the fuel cell. Because it stops, the time from the start of the regeneration process to the stop of water generation on the cathode electrode side is short (only the time lag of the gas flow), but the water (steam) generated in this short time is converted to pressure Thus, the cathode off gas containing water vapor can be supplied to the reforming section over a predetermined time.
請求項2記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒再生手段は、前記供給ラインに設けられ前記カソードオフガスを蓄えるガス貯留部を備える。 A fuel cell system according to a second aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first aspect , wherein the catalyst regeneration means includes a gas storage section that is provided in the supply line and stores the cathode off gas.
請求項2記載の燃料電池システムでは、ガス貯留部にカソードオフガスを蓄えることができるので、所定時間に亘って改質部に供給するためのカソードオフガスを確実に蓄えることができる。なお、ガス貯留部は、例えば、改質触媒の活性回復工程における供給ラインの圧力上昇に伴ってカソードオフガスを蓄えても良く、燃料電池の運転中にカソードオフガスを蓄えても良い。 In the fuel cell system according to the second aspect , since the cathode offgas can be stored in the gas storage part, it is possible to reliably store the cathode offgas to be supplied to the reforming part over a predetermined time. Note that the gas storage unit may store, for example, the cathode offgas as the pressure of the supply line in the reforming catalyst activity recovery process increases, or may store the cathode offgas during operation of the fuel cell.
請求項3記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項1又は請求項2記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒再生手段は、前記カソードオフガスの供給流量を絞ることで該カソードオフガスを所定時間に亘り前記改質部に供給するための絞り手段を備える。 A fuel cell system according to a third aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first or second aspect , wherein the catalyst regeneration means reduces the cathode offgas to a predetermined time by reducing the supply flow rate of the cathode offgas. A throttling means is provided for supplying the reforming section.
請求項3記載の燃料電池システムでは、カソードオフガスの供給流量を絞りながら、該カソードオフガスを徐々に改質部に供給する。これにより、カソードオフガスが短時間で改質部に供給されてしまうことが防止される。特に、請求項3又は請求項4の構成において再生開始後の短時間で圧力に変換して蓄えたカソードオフガスを、効果的に所定時間に亘って(時間軸方向に分散して)供給することができる。 In the fuel cell system according to the third aspect , the cathode offgas is gradually supplied to the reforming section while reducing the supply flow rate of the cathode offgas. This prevents the cathode off gas from being supplied to the reforming section in a short time. In particular, the cathode off gas converted into pressure and stored in a short time after the start of regeneration in the configuration of claim 3 or claim 4 is supplied effectively over a predetermined time (distributed in the time axis direction). Can do.
請求項4記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項1〜請求項3の何れか1項記載の燃料電池システムにおいて、前記改質部には、前記燃料電池における前記水素含有ガスを消費するアノード電極から排出されるアノードオフガスを燃焼して得た熱を前記改質触媒に供給するための加熱部が設けられている。 The fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, wherein the reforming unit consumes the hydrogen-containing gas in the fuel cell. A heating unit is provided for supplying heat obtained by burning the anode off gas discharged from the anode electrode to the reforming catalyst.
請求項4記載の燃料電池システムでは、改質触媒の活性回復工程を行う場合には、燃料電池のアノードオフガス(改質部で得た水素含有ガスのうち燃料電池で消費された水素を除くガス)を加熱部に供給して燃焼させ、再生工程を行う(維持する)ための熱を改質部に供給する。これにより、改質部にはカソードオフガスの有する熱の他、加熱部からの燃焼熱が供給されるので、改質部の加熱のために外部から導入するエネルギが一層抑制される。 In the fuel cell system according to claim 4, when performing the activity recovery process of the reforming catalyst, the anode off-gas of the fuel cell (a gas excluding hydrogen consumed in the fuel cell among the hydrogen-containing gas obtained in the reforming unit) ) Is supplied to the heating unit and burned, and heat for performing (maintaining) the regeneration step is supplied to the reforming unit. As a result, in addition to the heat of the cathode off gas, combustion heat from the heating unit is supplied to the reforming unit, so that energy introduced from the outside for heating the reforming unit is further suppressed.
以上説明したように本発明に係る燃料電池システムは、改質触媒の触媒活性を効率的に回復させることができるという優れた効果を有する。 As described above, the fuel cell system according to the present invention has an excellent effect that the catalytic activity of the reforming catalyst can be efficiently recovered.
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10について、図1乃至図3に基づいて説明する。図1には、燃料電池システム10のシステム構成図(プロセスフローシート)が示されている。これらの図に示される如く、燃料電池システム10は、水素を消費して発電を行う燃料電池12と、燃料電池12に供給するための水素含有の改質ガスを生成するための改質装置(改質器)14とを主要構成要素として構成されている。
A
燃料電池12は、この実施形態では例えば高分子電解質型燃料電池(PEFC)やリン酸型燃料電池(PAFC)等と同様の原理で作動するプロトン導伝型の燃料電池とされている。具体的には、燃料電池12は、図2に模式的に示される如く、アノード電極(燃料極)16とカソード電極(空気極)18との間に、プロトン導伝性を有する電解質20を挟んで構成されている。また、燃料電池12は、改質ガス(水素)をアノード電極16に導入するためのアノード流路22と、酸素を含有するカソード用空気をカソード電極に導入するためのカソード流路24とを備えている。
In this embodiment, the
この燃料電池12は、アノード電極16では、アノード流路22の燃料入口22Aから供給された改質ガス中の水素が電子を放出してプロトン化され、このプロトン(水素イオン)は、電解質20を経由してアノード電極16からカソード電極に移動する。一方、カソード電極18では、電解質20を経由して到達したプロトンと、アノード電極16から図示しない外部負荷を経由して到達した電子と、カソード流路24の空気入口24Aから導入したカソード用空気中の酸素とが反応して水が生成されるようになっている。
In the
したがって、燃料電池12では、発電に伴ってカソード電極18側で水が生成され、この水はカソードオフガスの一部である水蒸気としてカソード流路24のオフガス出口24Bから燃料電池12外に排出されるようになっている。この燃料電池12は、例えば300℃〜700℃程度の中温域で運転される構成とされている。
Therefore, in the
図1に示される如く、改質装置14は、燃料電池12のアノード電極16に供給するための水素含有の改質ガスを生成する改質部(反応器)25と、改質部25が改質反応を行うための熱を供給するための加熱部26とを主要構成要素として構成されている。改質部25は、改質触媒28を内蔵しており、供給される炭化水素ガス(ガソリン、メタノール、天然ガス等)と改質用ガス(水蒸気)を触媒反応させることで、水素ガスを含む改質ガスを生成する(改質反応を行う)ようになっている。
As shown in FIG. 1, the
改質部25における改質反応には、以下の式(1)乃至(4)で表されるように、式(1)で示す水蒸気改質反応を含む各反応が含まれる。したがって、改質工程で得た改質ガスには、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素(CxHy)等の可燃性ガス、及び二酸化炭素(CO2)、水(H2O)等の不燃性ガスを含むようになっている。
The reforming reaction in the reforming
CnHm+nH2O → nCO +(n+m/2)H2 … (1)
CnHm+n/2O2 → nCO + m/2H2 … (2)
CO+H2O ⇔ CO2+H2 … (3)
CO+3H2 ⇔ CH4+H2O … (4)
この改質反応の中で主となる式(1)の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、かつ改質部25は、上記の通り中温又は高温で運転される燃料電池12に改質ガスを供給するため所定温度以上の温度で運転されるようになっている。加熱部26は、この改質部25における改質反応、運転温度を維持するための熱の供給する構成とされている。加熱部26は、図示しない酸化触媒を内蔵して改質部25に隣接して設けられており、供給された燃料を酸素と共に酸化触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせる構成とされている。
C n H m + nH 2 O → nCO + (n + m / 2) H 2 ... (1)
C n H m + n / 2O 2 → nCO + m / 2H 2 ... (2)
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (3)
CO + 3H 2 CHCH 4 + H 2 O (4)
The main steam reforming reaction of the formula (1) in the reforming reaction is an endothermic reaction, and the reforming
改質装置14は、加熱部26で燃料を触媒燃焼させて得た燃焼熱を隔壁部30を介して改質部25に供給するようになっている。このため、燃焼ガス等の熱媒(流体)を介して改質部25を加熱する構成のように熱量を温度に変換することなく、改質部25に熱量を直接的に付与することができる構成とされている。
The
そして、燃料電池システム10は、改質部25に炭化水素原料を供給するための原料ポンプ32を備えており、原料ポンプ32の吐出部は原料供給ライン34を介して改質部25の原料入口25Aに接続されている。炭化水素原料は、上記した改質反応には寄与しない硫黄成分(硫黄化合物)をわずかに含んでいる。この炭化水素原料は、例えば蒸発器やインジェクション等図示しない気化手段等によって、気相又は微粒化状態で改質部25に供給されるようになっている。
The
また、改質部25の改質ガス出口25Bは、下流端がアノード流路22の燃料入口22Aに接続された改質ガス供給ライン36の上流端に接続されている。これにより、改質部25で生成された改質ガスが燃料電池12のアノード電極16に供給されるようになっている。一方、アノード流路22のオフガス出口22Bには、アノードオフガスライン38の上流端が接続されており、アノードオフガスライン38の下流端は加熱部26の燃料入口26Aに接続されている。
The reformed
以上により、燃料電池システム10では、改質部25で生成された改質ガス中の水素が燃料電池12で消費され、この消費された水素を除く残余成分がアノードオフガスとして加熱部26に導入され、そのうちの可燃成分(水素(H2)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、メタン(CH4)、二酸化炭素(CO2))が加熱部26で燃料として消費されるようになっている。この加熱部26の排ガス出口26Bには、燃焼排ガスを系外に排出するための排気ガスライン39が接続されている。
As described above, in the
また、燃料電池システム10は、カソード電極18にカソード用空気を供給するためのカソード用空気ポンプ40を備えており、カソード用空気ポンプ40の吐出部は、下流端がカソード流路24の空気入口24Aに接続されたカソード用空気供給ライン42の上流端が接続されている。さらに、カソード流路24のオフガス出口24Bには、水蒸気供給ライン44の上流端が接続されており、水蒸気供給ライン44の下流端は、改質部25の水蒸気入口25C接続されている。これにより、カソード電極18で生成された水蒸気、該カソード電極18で消費されなかった酸素を含むカソードオフガスが改質部25における水蒸気改質反応に利用される構成である。
The
さらに、燃料電池システム10は、燃料電池12に冷却空気を供給するための冷却用空気ポンプ45を備えており、冷却用空気ポンプ45の吐出部は、下流端が燃料電池12の図示しない冷媒流路の入口12Aに接続された冷却用空気ライン46の上流端に接続されている。この冷媒流路の出口12Bは、支燃ガス供給ライン48の上流端に接続されている。支燃ガス供給ライン48は、加熱部26における支燃ガス入口26Cに接続されており、加熱部26に燃焼支燃ガスとしての酸素を含む冷却オフガスを供給するようになっている。これにより、加熱部26では、アノードオフガスライン38からのアノードオフガスと支燃ガス供給ライン48からの冷却オフガスとを内蔵した酸化触媒に接触させて、触媒燃焼を生じさせる構成とされている。
Furthermore, the
そして、燃料電池システム10は、それぞれ水蒸気供給ライン44に設けられて本発明における触媒再生手段を構成する調整弁V1、開閉弁V2を備えている。調整弁V1は、水蒸気供給ライン44を開閉し得る開閉弁V2に対しカソードオフガス流れ方向の下流側に配置されており、その弁開度を調整可能とされている。この調整弁V1は、全閉状態で水蒸気供給ライン44の圧力を上昇させるため圧力上昇手段として機能し、部分開放状態で改質部25へのカソードオフガスの供給流量を絞る絞り手段として機能する。
The
また、水蒸気供給ライン44における調整弁V1、開閉弁V2間には、ガス貯留部としてのチャンバ50が設けられている。この実施形態では、チャンバ50は、水蒸気供給ライン44に直列に設けられている。また、チャンバ50は、内周又は外周に図示しない断熱部が設けられて断熱構造とされている。
A
上記した各調整弁V1、開閉弁V2は、それぞれ制御装置としての触媒再生コントローラ52によって開閉又は弁開度が制御されるようになっている。また、燃料電池システム10では、冷却用空気ライン46に設けられ該冷却用空気ライン46を開閉し得る開閉弁V3を備えている。開閉弁V3は、触媒再生コントローラ52によって開閉が制御されるようになっている。
Each of the regulating valve V1 and the on-off valve V2 described above is controlled to be opened / closed or controlled by a
触媒再生コントローラ52は、燃料電池システム10の全体動作を制御する図示しないメインコントローラからの信号に基づいて、改質部25の改質触媒28の触媒活性を回復させるための再生工程を行う条件が成立したと判断した場合に、該再生工程が行われるように、原料ポンプ32、カソード用空気ポンプ40、冷却用空気ポンプ45、調整弁V1、開閉弁V2、V3の作動を制御して、炭化水素ガスの供給が停止された改質部25にカソードオフガスを供給するようになっている。再生工程を開始する条件は、改質触媒28の硫黄被毒が一定程度に進行した又は進行したと推定されるをことに対応する条件であり、例えば、燃料電池システム10の前回の再生工程後における累積運転時間や燃料電池12の累積発電量(改質装置14の改質量)等が所定の閾値を越えたこと、改質部25が生成する改質ガス中の水素濃度が所定の閾値を下回ったこと、改質触媒28の温度が所定の閾値を超えたこと等のうちの1つ又は複数を採用することができる。
Based on a signal from a main controller (not shown) that controls the overall operation of the
また、触媒再生コントローラ52は、再生工程において、カソードオフガスを所定圧力で水蒸気供給ライン44(主にチャンバ50)に蓄えさせるようになっている。チャンバ50の容量は、上記した所定圧力で蓄えたカソードオフガスを調整弁V1の弁開度を絞りながら改質部25に供給した場合に、該カソードオフガスを所定時間に亘り改質部25に供給可能な容量として設定されている。この触媒再生コントローラ52による触媒再生の具体的な制御については、本実施形態の作用と共に後述する。
Further, the
この実施形態では、水蒸気供給ライン44、調整弁V1、開閉弁V2、チャンバ50、触媒再生コントローラ52が本発明における触媒再生手段に相当する。なお、水蒸気供給ライン44、冷却用空気ライン46は、燃料電池システム10の通常運転(燃料電池12の発電中)でも用いられるため、これらのラインに設けられた調整弁V1、開閉弁V2、冷却用空気ライン46の開閉弁V3は、通常運転中にはそれぞれ全開状態とされている。
In this embodiment, the water
次に、第1の実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of the first embodiment will be described.
上記構成の燃料電池システム10では、原料ポンプ32、カソード用空気ポンプ40の作動によって、原料供給ライン34から改質装置14の改質部25に炭化水素原料、水蒸気(カソードオフガス)が導入される。改質部25内では、水蒸気改質反応を含む式(1)〜式(4)で示す改質反応が行われ、水素を高濃度で含有する改質ガスが生成される。
In the
改質部25で生成された改質ガスは、アノード流路22の燃料入口22Aからアノード電極16に供給される。燃料電池12では、アノード電極16に供給された改質ガス中の水素がプロトン化され、このプロトンが電解質を経由してカソード電極18に移動して該カソード電極18に導入された空気中の酸素と反応する。このプロトンの移動に伴って電子がアノード電極16から外部導体を通じてカソード電極に向けて流れ、発電が行われる。
The reformed gas generated in the reforming
この発電によって燃料電池12では、アノード電極16に供給された改質ガス中の水素、カソード電極18に供給されたカソード用空気中の酸素が発電量(負荷の電力消費量)に応じて消費され、カソード電極18では水(運転温度において水蒸気)が生成される。この水蒸気を含むガスは、カソードオフガスとしてカソード電極18から水蒸気供給ライン44に押し出され、水蒸気入口25Cから改質部25に導入される。このとき、チャンバ50には、カソードオフガスが置換されつつ充填されている。
With this power generation, the
一方、発電に伴って改質ガス中の水素が発電量に応じて消費された後のガスは、アノードオフとしてアノード電極16から排出され、このアノードオフガスは、アノードオフガスライン38を経由して、改質装置14の加熱部26に供給される。また、加熱部26には、支燃ガス供給ライン48から燃料電池12を冷却した後の冷却オフガスが供給される。この加熱部26では、アノードオフガス中の可燃成分を燃料とし、冷却オフガス中の酸素を支燃ガスとして触媒燃焼が生じる。この触媒燃焼によって生じた熱は、隔壁部30を介して改質部25に供給される。この熱によって改質部25では、吸熱反応である改質反応を維持すると共に運転温度(改質ガス温)を改質反応に必要な温度に保つ。
On the other hand, the gas after the hydrogen in the reformed gas is consumed according to the amount of power generated along with the power generation is discharged from the
メインコントローラは、燃料電池12の発電量に応じた量の水素が改質装置14で生成され、かつ上記した運転が維持されるように、燃料電池システム10全体を制御する。
The main controller controls the entire
以上のような燃料電池システム10の運転に伴って、改質装置14を構成する改質部25の改質触媒28は、炭化水素原料に含まれる硫黄成分によって被毒され、触媒活性が低下する。このため、燃料電池システム10では、所定の場合に改質触媒28の触媒活性を回復させる再生工程を行う。以下、この再生工程の作用について、図3に示すフローチャートを参照しつつ説明する。
Along with the operation of the
燃料電池システム10の触媒再生コントローラ52は、ステップS10で、メインコントローラからの信号に基づいて、再生工程を行う(開始する)条件が成立した(触媒再生タイミングである)か否かを判断する。再生工程を行う条件が成立していないと判断した場合には、ステップS10に戻り、この条件が成立するまで繰り返す。
In step S10, the
一方、再生工程を行う条件が成立した場合に触媒再生コントローラ52は、ステップS12に進み、原料ポンプ32を停止する。これにより、改質部25への炭化水素ガスの供給が停止される。次いで、触媒再生コントローラ52はステップS14に進み、調整弁V1を全閉にする。ステップS12、S14は同時に実行しても良い。これにより、改質部25へのカソードオフガス(水蒸気)の供給も停止され、改質部25内では残留している改質原料、水蒸気等の分だけ改質反応が行われる。他方、カソード用空気ポンプ40の作動は継続されているので、カソード流路24内の水蒸気が水蒸気供給ライン44に押し出される。これにより、水蒸気供給ライン44、チャンバ50の圧力が上昇する。
On the other hand, when the conditions for performing the regeneration process are satisfied, the
触媒再生コントローラ52は、ステップS16に進み、調整弁V1の全閉からの経過時間が所定時間を上回ったか否かを判断する。調整弁V1の全閉から所定時間が経過していない場合には、ステップS16に戻り、所定時間経過するまで繰り返す。調整弁V1の全閉から所定時間が経過した場合には、ステップS18に進み、開閉弁V2を全閉する。また、カソード用空気ポンプ40を停止する。この状態では、水蒸気供給ライン44における調整弁V1、開閉弁V2間、チャンバ50内には、燃料電池12の運転温度と同等の温度を有するカソードオフガス(水蒸気、酸素を含むガス)がほぼ所定圧力で蓄えられている。なお、ステップS16では、調整弁V1閉止からの経過時間に代えて、例えばチャンバ50の圧力が所定圧力に達したか否かで開閉弁V2の閉止タイミングを制御するようにしても良い。
The
そして、触媒再生コントローラ52は、ステップS20に進み、調整弁V1を部分開放する。これにより、水蒸気供給ライン44、チャンバ50に蓄えられたカソードオフガスは、調整弁V1によって供給流量を絞られつつ徐々に改質部25に供給される。このカソードオフガスの供給によって改質触媒28上の硫黄成分の除去が行われる。また、このカソードオフガスの供給によって、改質部25内のガスが排出され、改質ガス供給ライン36、アノード流路22、アノードオフガスライン38にガスの流れが生じ、アノード流路22、アノードオフガスライン38に滞留していたアノードオフガスが改質触媒28に供給される。
Then, the
これにより、改質部25では改質反応に伴う吸熱が停止しているのに対し、加熱部26では供給されるアノードオフガス中の可燃成分が支燃ガス供給ライン48からの酸素と共に酸化触媒に接触して燃焼する。この燃焼に伴う熱は、隔壁部30を介して改質部25の改質触媒28に供給され、硫黄成分の除去すなわち触媒活性の回復に利用される。
As a result, the endotherm associated with the reforming reaction is stopped in the reforming
次いで、触媒再生コントローラ52は、ステップS22で、メインコントローラからの情報(例えばアノードオフガスの成分(ガスセンサ出力)や加熱部26の温度分布)に基づいて、加熱部26におけるアノードオフガスの燃焼が終了したか否かを判断する。加熱部26での燃焼が終了していないと判断した場合には、ステップS22に戻り、燃焼終了まで繰り返す。一方、加熱部26での燃焼が終了したと判断した場合には、ステップS24に進み、開閉弁V3を全閉する。また、冷却用空気ポンプ45を停止する。これにより、加熱部26には、顕熱冷却により改質部25(改質触媒28)温度を低下させる低温の空気の供給が停止される。
Next, in step S22, the
さらに、触媒再生コントローラ52は、ステップS26に進み、調整弁V1の部分開放すなわち改質部25へのカソードオフガス供給開始からの経過時間が所定時間に達したか否かを判断する。カソードオフガス供給開始から所定時間が経過していない場合には、ステップS26に戻り、所定時間の経過まで繰り返す。そして、カソードオフガス供給開始から所定時間が経過した場合すなわち触媒再生の終了条件が成立した場合には、ステップS28に進み、調整弁V1、開閉弁V2、V3をそれぞれ全開し、制御を終了する。これにより、燃料電池システム10は、メインコントローラによる制御状態に復帰し、燃料電池12による発電を行うための運転を再開する。このカソードオフガスを改質部25に供給する所定時間は、例えば、予め設定した時間であっても良く、触媒再生間の運転時間等から算出したものであっても良い。
Further, the
ここで、燃料電池システム10では、燃料電池12のカソードオフガスを改質部25に供給することで改質触媒28の再生すなわち触媒活性の回復を行うため、外部からエネルギ供給を受けることなく改質触媒28の再生を行うことができる。具体的には、カソードオフガスには、改質触媒28の再生に必要な水蒸気、酸素が含まれており、しかもカソードオフガス自体が燃料電池12の運転温度相当の温度(熱)を有するため、例えば、水を蒸発して(潜熱を供給して)水蒸気を生成し改質触媒28に供給し、かつ加熱部26に燃料電池12の運転や改質装置14での水素生成に直接的には寄与しない燃料を供給して改質触媒28を加熱する構成と比較して、水蒸気生成のためのエネルギ、改質触媒28加熱のためのエネルギが不要であり、システム全体として効率が高い。
Here, in the
しかも、燃料電池システム10では、燃料電池12のアノード流路22、アノードオフガスライン38に滞留したアノードオフガス(可燃性ガス)を加熱部26にて燃焼させるので、外部からのエネルギ供給に頼ることなく、触媒再生に必要な熱をさらに改質部25の改質触媒28に付与することができる。これにより、改質触媒28上の硫黄成分を一層効果的に除去することができる。また、触媒再生のために原料ポンプ32(改質原料の供給)を停止した直後には、改質側の吸熱反応が減少している一方で、加熱側の発熱が発生するという熱バランスのとれない状態が存在する。このアンバランスによって、比較的短時間で改質触媒28の温度を上昇させることが可能である。
Moreover, in the
このように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10では、改質触媒28の触媒活性を効率的に回復させることができる。
Thus, in the
また、燃料電池システム10では、触媒再生のためにカソードオフガスを改質部25に供給するため、換言すれば、触媒再生に寄与する(促進する)水蒸気と低濃度の酸素とを共に改質部25に供給するため、きわめて短時間の再生工程で十分な触媒活性の回復を実現することができる。そして、上記の如くアノードオフガスの燃焼熱が供給される燃料電池システム10では、水蒸気、低濃度の酸素、温度の3条件を満たすため、運転時間に対する触媒再生時間を数十分の一から百数十分の一とすることが可能である。このため、燃料電池システム10では、上記した所定時間の触媒再生工程によって、改質触媒28の触媒活性を回復することができた。
Further, in the
そして、燃料電池システム10では、触媒再生工程を開始する前に調整弁V1を閉じることで水蒸気供給ライン44の圧力を上昇し、燃料供給停止後の短時間でカソードオフガスを蓄え、これを所定時間に亘り改質部25に供給することが実現された。すなわち、限られた量のカソードオフガスの供給可能時間を圧力に変換して蓄え、調整弁V1で絞りながら所定時間に亘り供給することができた。しかも、この水蒸気供給ライン44にはチャンバ50が設けられているため、十分な時間の再生工程を行い得る量のカソードオフガスを蓄えることが実現された。
In the
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。なお、上記第1の実施形態と基本的に同一の部品・部分については上記第1の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。図4には、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム60が図1に対応するシステムフロー図にて示されている。この図に示される如く、燃料電池システム60は、チャンバ50に代えてアキュムレータ62を備える点で、燃料電池システム10とは異なる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Note that parts and portions that are basically the same as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof is omitted. FIG. 4 shows a
アキュムレータ62は、水蒸気供給ライン44における調整弁V1、開閉弁V2間の部分から分岐した分岐ライン64の下流端に接続されている。アキュムレータ62の容量はチャンバ50と同様に、所定圧力のカソードオフガスを蓄えた状態で所定時間の触媒再生工程を行い得るように決められている。また、分岐ライン64には、触媒再生コントローラ52によって開閉し得る開閉弁V4が設けられている。開閉弁V4は、燃料電池システム10の通常運転中には全閉とされている。
The
燃料電池システム60の他の構成は、燃料電池システム10の対応する構成と同じである。
Other configurations of the
したがって、第2の実施形態に係る燃料電池システム60によっても、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、アキュムレータ62と開閉弁V4とを備えた燃料電池システム60では、燃料電池システム10のスタートアップ時にはアキュムレータ62をカソードオフガスで充填することなくスムースに運転を立ち上げ、燃料電池12の運転中にアキュムレータ62にカソードオフガスを蓄えることができる。
Therefore, the
例えば、燃料電池12の発電量低減要求があり改質装置14の改質ガス生成量を低減する場合、カソードオフガスが要求改質量に対し余剰になるが、この際、調整弁V1の弁開度を絞りながら開閉弁V4を開放し、改質部25へのカソードオフガス供給量を減らしながらアキュムレータ62にカソードオフガスを蓄えることができる。また例えば、改質触媒28の触媒活性を回復するための再生工程を行う直前に燃料電池12の発電量を減らしながらアキュムレータ62にカソードオフガスを蓄えることができる。すなわち、燃料電池システム60によっても、触媒再生工程を開始する前にカソードフガスを水蒸気供給ライン44、アキュムレータ62の圧力に変換して保持することができ、改質触媒28の触媒活性の回復に十分な時間の触媒改質工程を行うことができる。
For example, when there is a request to reduce the amount of power generation of the
10 燃料電池システム
12 燃料電池
16 アノード電極
18 カソード電極
25 改質部
26 加熱部
28 改質触媒
42 カソード用空気供給ライン(供給ライン)
50 チャンバ(ガス貯留部)
52 触媒再生コントローラ(触媒再生手段)
60 燃料電池システム
62 アキュムレータ(ガス貯留部)
V1 調整弁(触媒再生手段、絞り手段)
V2〜V4 開閉弁(触媒再生手段)
DESCRIPTION OF
50 chamber (gas reservoir)
52 Catalyst regeneration controller (catalyst regeneration means)
60
V1 regulating valve (catalyst regeneration means, throttle means)
V2 to V4 open / close valve (catalyst regeneration means)
Claims (4)
前記水素含有ガス中の水素を消費して発電を行い、該発電に伴ってカソード電極側で水を生成する燃料電池と、
前記改質部への前記改質原料の供給停止後でかつ前記カソード電極から排出されるカソードオフガスを前記改質部に供給する供給ラインの圧力を上昇させるガス貯留工程を行った後に、前記カソードオフガスを所定時間に亘り前記改質部に供給することで、前記改質触媒の活性を回復するための再生工程を行う触媒再生手段と、
を備えた燃料電池システム。 A reforming unit that generates a hydrogen-containing gas from a reforming raw material containing a sulfur component using a reforming catalyst;
A fuel cell that consumes hydrogen in the hydrogen-containing gas to generate power, and generates water on the cathode electrode side with the power generation;
After stopping the supply of the reforming raw material to the reforming section and after performing a gas storage step of increasing the pressure of a supply line for supplying the cathode off-gas discharged from the cathode electrode to the reforming section, the cathode A catalyst regeneration means for performing a regeneration step for recovering the activity of the reforming catalyst by supplying off-gas to the reforming unit over a predetermined time ;
A fuel cell system comprising:
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