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JP4961769B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP4961769B2
JP4961769B2 JP2006041447A JP2006041447A JP4961769B2 JP 4961769 B2 JP4961769 B2 JP 4961769B2 JP 2006041447 A JP2006041447 A JP 2006041447A JP 2006041447 A JP2006041447 A JP 2006041447A JP 4961769 B2 JP4961769 B2 JP 4961769B2
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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。
特開2000−351606明細書
In a fuel reformer that obtains hydrogen-rich gas from hydrocarbons containing sulfur compounds by steam reforming, when the catalytic activity of the reforming catalyst is reduced due to sulfur poisoning, the reforming section containing the reforming catalyst is heated. A technique is known in which the catalytic activity of the reforming catalyst is recovered by heating at a section and supplying an inert gas or water vapor gas to the reforming section for a predetermined time (see, for example, Patent Document 1). Such a recovery operation of the catalyst activity is performed in a time zone other than the startup operation, the stop operation, and the normal operation operation of the fuel reformer.
JP 2000-351606 specification

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.

請求項記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項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.

請求項記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項1請求項の何れか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 fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 1 shows a system configuration diagram (process flow sheet) of the fuel cell system 10. As shown in these drawings, the fuel cell system 10 includes a fuel cell 12 that generates power by consuming hydrogen, and a reformer (a reformer for generating hydrogen-containing reformed gas to be supplied to the fuel cell 12). Reformer) 14 as main components.

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 fuel cell 12 is a proton-conducting fuel cell that operates on the same principle as, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) or a phosphoric acid fuel cell (PAFC). Specifically, as schematically shown in FIG. 2, the fuel cell 12 sandwiches an electrolyte 20 having proton conductivity between an anode electrode (fuel electrode) 16 and a cathode electrode (air electrode) 18. It consists of The fuel cell 12 also includes an anode channel 22 for introducing reformed gas (hydrogen) into the anode electrode 16 and a cathode channel 24 for introducing cathode air containing oxygen into the cathode electrode. ing.

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 fuel cell 12, in the anode electrode 16, hydrogen in the reformed gas supplied from the fuel inlet 22 </ b> A of the anode flow channel 22 releases electrons to be protonated, and the protons (hydrogen ions) are passed through the electrolyte 20. Via, it moves from the anode electrode 16 to the cathode electrode. On the other hand, in the cathode electrode 18, protons reached via the electrolyte 20, electrons reached from the anode electrode 16 via an external load (not shown), and cathode air introduced from the air inlet 24 </ b> A of the cathode channel 24. The water reacts with oxygen to produce water.

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 fuel cell 12, water is generated on the cathode electrode 18 side with power generation, and this water is discharged out of the fuel cell 12 from the offgas outlet 24 </ b> B of the cathode channel 24 as water vapor that is part of the cathode offgas. It is like that. The fuel cell 12 is configured to be operated in an intermediate temperature range of about 300 ° C. to 700 ° C., for example.

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 reformer 14 includes a reformer (reactor) 25 that generates a hydrogen-containing reformed gas to be supplied to the anode electrode 16 of the fuel cell 12, and a reformer 25 is modified. A heating unit 26 for supplying heat for performing a quality reaction is configured as a main component. The reforming unit 25 incorporates a reforming catalyst 28 and contains hydrogen gas by catalyzing a hydrocarbon gas (gasoline, methanol, natural gas, etc.) to be supplied with a reforming gas (steam). A reformed gas is generated (reforming reaction is performed).

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(H)、一酸化炭素(CO)、メタン(CH)、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素(C)等の可燃性ガス、及び二酸化炭素(CO)、水(HO)等の不燃性ガスを含むようになっている。 The reforming reaction in the reforming unit 25 includes each reaction including the steam reforming reaction represented by the formula (1) as represented by the following formulas (1) to (4). Therefore, the reformed gas obtained in the reforming process includes hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), cracked hydrocarbons, unreacted raw material hydrocarbons (C x H y ), etc. Combustible gas and carbon dioxide (CO 2 ), water (H 2 O), and other non-flammable gases.

+nHO → nCO +(n+m/2)H … (1)
+n/2O → nCO + m/2H … (2)
CO+HO ⇔ CO+H … (3)
CO+3H ⇔ CH+HO … (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 unit 25 supplies the reformed gas to the fuel cell 12 operated at an intermediate temperature or a high temperature as described above. In order to supply, it is operated at a temperature higher than a predetermined temperature. The heating unit 26 is configured to supply heat for maintaining the reforming reaction and the operating temperature in the reforming unit 25. The heating unit 26 includes an oxidation catalyst (not shown) and is provided adjacent to the reforming unit 25. The heating unit 26 is configured to bring the supplied fuel into contact with the oxidation catalyst together with oxygen to cause catalytic combustion.

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 reformer 14 supplies combustion heat obtained by catalytic combustion of fuel in the heating unit 26 to the reforming unit 25 through the partition wall 30. For this reason, heat quantity can be directly given to reforming part 25, without changing calorie | heat amount into temperature like the structure which heats reforming part 25 via heating media (fluid), such as combustion gas. It is configured.

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 fuel cell system 10 includes a raw material pump 32 for supplying a hydrocarbon raw material to the reforming unit 25, and a discharge unit of the raw material pump 32 is connected to a raw material inlet of the reforming unit 25 via a raw material supply line 34. 25A. The hydrocarbon raw material slightly contains a sulfur component (sulfur compound) that does not contribute to the above reforming reaction. The hydrocarbon raw material is supplied to the reforming unit 25 in a gas phase or atomized state by a vaporizing means (not shown) such as an evaporator or an injection.

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 gas outlet 25 </ b> B of the reforming unit 25 is connected to the upstream end of the reformed gas supply line 36 whose downstream end is connected to the fuel inlet 22 </ b> A of the anode flow path 22. As a result, the reformed gas generated in the reforming unit 25 is supplied to the anode electrode 16 of the fuel cell 12. On the other hand, the upstream end of the anode offgas line 38 is connected to the offgas outlet 22 </ b> B of the anode flow path 22, and the downstream end of the anode offgas line 38 is connected to the fuel inlet 26 </ b> A of the heating unit 26.

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(H)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、メタン(CH)、二酸化炭素(CO))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 fuel cell system 10, the hydrogen in the reformed gas generated in the reforming unit 25 is consumed in the fuel cell 12, and the remaining components other than the consumed hydrogen are introduced into the heating unit 26 as anode offgas. The combustible components (hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), methane (CH 4 ), carbon dioxide (CO 2 )) are consumed as fuel in the heating unit 26. It has become. An exhaust gas line 39 for discharging combustion exhaust gas to the outside of the system is connected to the exhaust gas outlet 26B of the heating unit 26.

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 fuel cell system 10 also includes a cathode air pump 40 for supplying cathode air to the cathode electrode 18, and the discharge portion of the cathode air pump 40 has an air inlet of the cathode channel 24 at the downstream end. The upstream end of the cathode air supply line 42 connected to 24A is connected. Further, the upstream end of the steam supply line 44 is connected to the off-gas outlet 24 </ b> B of the cathode channel 24, and the downstream end of the steam supply line 44 is connected to the steam inlet 25 </ b> C of the reforming unit 25. Thereby, the cathode off gas containing the water vapor generated at the cathode electrode 18 and the oxygen not consumed at the cathode electrode 18 is used for the steam reforming reaction in the reforming unit 25.

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 fuel cell system 10 includes a cooling air pump 45 for supplying cooling air to the fuel cell 12, and the discharge portion of the cooling air pump 45 has a refrigerant flow (not shown) of the fuel cell 12 at the downstream end. It is connected to the upstream end of a cooling air line 46 connected to the inlet 12A of the passage. The refrigerant flow path outlet 12 </ b> B is connected to the upstream end of the combustion support gas supply line 48. The combustion support gas supply line 48 is connected to a combustion support gas inlet 26 </ b> C in the heating unit 26, and supplies a cooling off gas containing oxygen as a combustion support gas to the heating unit 26. Thus, the heating unit 26 is configured to cause catalytic combustion by bringing the anode off gas from the anode off gas line 38 and the cooling off gas from the combustion support gas supply line 48 into contact with the built-in oxidation catalyst.

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 fuel cell system 10 includes a regulating valve V1 and an on-off valve V2 that are provided in the water vapor supply line 44 and constitute the catalyst regeneration means in the present invention. The regulating valve V1 is arranged on the downstream side in the cathode off-gas flow direction with respect to the on-off valve V2 that can open and close the water vapor supply line 44, and the valve opening degree can be adjusted. This regulating valve V1 functions as a pressure increasing means for increasing the pressure of the steam supply line 44 in the fully closed state, and functions as a throttle means for reducing the supply flow rate of the cathode off gas to the reforming unit 25 in the partially opened state.

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 chamber 50 serving as a gas reservoir is provided between the regulating valve V1 and the on-off valve V2 in the water vapor supply line 44. In this embodiment, the chamber 50 is provided in series with the water vapor supply line 44. The chamber 50 has a heat insulating structure in which a heat insulating portion (not shown) is provided on the inner periphery or outer periphery.

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 catalyst regeneration controller 52 as a control device. Further, the fuel cell system 10 includes an on-off valve V3 that is provided in the cooling air line 46 and can open and close the cooling air line 46. The opening / closing of the on-off valve V3 is controlled by the catalyst regeneration controller 52.

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 fuel cell system 10, the catalyst regeneration controller 52 has conditions for performing a regeneration process for recovering the catalytic activity of the reforming catalyst 28 of the reforming unit 25. If it is determined that the regeneration process is established, the operations of the raw material pump 32, the cathode air pump 40, the cooling air pump 45, the regulating valve V1, and the on-off valves V2 and V3 are controlled to perform carbonization. Cathode off gas is supplied to the reforming section 25 where the supply of hydrogen gas is stopped. The condition for starting the regeneration process is a condition corresponding to that the sulfur poisoning of the reforming catalyst 28 has progressed to a certain degree or is estimated to have progressed. For example, after the previous regeneration process of the fuel cell system 10 That the cumulative operation time in the fuel cell 12 and the accumulated power generation amount of the fuel cell 12 (the reforming amount of the reforming device 14) exceed a predetermined threshold, the hydrogen concentration in the reformed gas generated by the reforming unit 25 reaches the predetermined threshold. It is possible to employ one or more of below, that the temperature of the reforming catalyst 28 exceeds a predetermined threshold, and the like.

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 catalyst regeneration controller 52 is configured to store the cathode off-gas at a predetermined pressure in the steam supply line 44 (mainly the chamber 50) in the regeneration process. The capacity of the chamber 50 is such that when the cathode off gas stored at the above-mentioned predetermined pressure is supplied to the reforming unit 25 while reducing the valve opening of the regulating valve V1, the cathode off-gas is supplied to the reforming unit 25 for a predetermined time. It is set as possible capacity. Specific control of catalyst regeneration by the catalyst regeneration controller 52 will be described later together with the operation of this embodiment.

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 vapor supply line 44, the regulating valve V1, the on-off valve V2, the chamber 50, and the catalyst regeneration controller 52 correspond to the catalyst regeneration means in the present invention. Note that the water vapor supply line 44 and the cooling air line 46 are also used during normal operation of the fuel cell system 10 (during power generation by the fuel cell 12), and therefore the regulating valve V1, the on-off valve V2, the cooling provided in these lines. The on-off valve V3 of the working air line 46 is fully opened during normal operation.

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 fuel cell system 10 configured as described above, the hydrocarbon raw material and water vapor (cathode off-gas) are introduced from the raw material supply line 34 to the reforming unit 25 of the reformer 14 by the operation of the raw material pump 32 and the cathode air pump 40. . In the reforming unit 25, reforming reactions represented by the equations (1) to (4) including a steam reforming reaction are performed, and a reformed gas containing hydrogen at a high concentration is generated.

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 unit 25 is supplied to the anode electrode 16 from the fuel inlet 22A of the anode channel 22. In the fuel cell 12, hydrogen in the reformed gas supplied to the anode electrode 16 is protonated, and this proton moves to the cathode electrode 18 via the electrolyte and is introduced into the cathode electrode 18. React with. As the protons move, electrons flow from the anode electrode 16 toward the cathode electrode through the external conductor, and power generation is performed.

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 fuel cell 12 consumes hydrogen in the reformed gas supplied to the anode electrode 16 and oxygen in the cathode air supplied to the cathode electrode 18 according to the power generation amount (load power consumption). The cathode electrode 18 generates water (water vapor at the operating temperature). The gas containing water vapor is pushed out from the cathode electrode 18 to the water vapor supply line 44 as a cathode off gas, and is introduced into the reforming unit 25 through the water vapor inlet 25C. At this time, the chamber 50 is filled with the cathode off-gas while being replaced.

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 anode electrode 16 as the anode off, and this anode off gas passes through the anode off gas line 38, It is supplied to the heating unit 26 of the reformer 14. The heating unit 26 is supplied with a cooling off gas after cooling the fuel cell 12 from the combustion support gas supply line 48. In the heating unit 26, catalytic combustion occurs with combustible components in the anode off-gas as fuel and oxygen in the cooling off-gas as combustion support gas. The heat generated by the catalytic combustion is supplied to the reforming unit 25 through the partition wall unit 30. With this heat, the reforming unit 25 maintains the reforming reaction, which is an endothermic reaction, and maintains the operating temperature (reformed gas temperature) at a temperature necessary for the reforming reaction.

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 fuel cell system 10 so that an amount of hydrogen corresponding to the amount of power generated by the fuel cell 12 is generated by the reformer 14 and the above operation is maintained.

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 fuel cell system 10 as described above, the reforming catalyst 28 of the reforming unit 25 constituting the reforming device 14 is poisoned by the sulfur component contained in the hydrocarbon raw material, and the catalytic activity decreases. . For this reason, in the fuel cell system 10, a regeneration process is performed to recover the catalytic activity of the reforming catalyst 28 in a predetermined case. Hereinafter, the operation of this regeneration step will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

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 catalyst regeneration controller 52 of the fuel cell system 10 determines whether or not a condition for performing (starting) the regeneration process is satisfied (at catalyst regeneration timing) based on a signal from the main controller. If it is determined that the condition for performing the regeneration process is not satisfied, the process returns to step S10 and is repeated until this condition is satisfied.

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 catalyst regeneration controller 52 proceeds to step S12 and stops the material pump 32. Thereby, the supply of hydrocarbon gas to the reforming unit 25 is stopped. Next, the catalyst regeneration controller 52 proceeds to step S14 and fully closes the adjustment valve V1. Steps S12 and S14 may be executed simultaneously. As a result, the supply of the cathode off-gas (steam) to the reforming unit 25 is also stopped, and the reforming reaction is performed in the reforming unit 25 by the amount of the reforming raw material, steam, and the like remaining. On the other hand, since the operation of the cathode air pump 40 is continued, the water vapor in the cathode flow path 24 is pushed out to the water vapor supply line 44. Thereby, the pressure in the water vapor supply line 44 and the chamber 50 increases.

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 catalyst regeneration controller 52 proceeds to step S16, and determines whether or not the elapsed time from the fully closing of the regulating valve V1 has exceeded a predetermined time. If the predetermined time has not elapsed since the regulating valve V1 is fully closed, the process returns to step S16 and is repeated until the predetermined time elapses. When a predetermined time has elapsed since the regulating valve V1 is fully closed, the process proceeds to step S18, and the on-off valve V2 is fully closed. Further, the cathode air pump 40 is stopped. In this state, the cathode off-gas (gas containing water vapor and oxygen) having a temperature equivalent to the operating temperature of the fuel cell 12 is almost at a predetermined pressure in the chamber 50 between the regulating valve V1 and the on-off valve V2 in the water vapor supply line 44. Are stored. In step S16, the closing timing of the on-off valve V2 may be controlled based on, for example, whether or not the pressure in the chamber 50 has reached a predetermined pressure, instead of the elapsed time from the closing of the regulating valve V1.

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 catalyst regeneration controller 52 proceeds to step S20 and partially opens the adjustment valve V1. As a result, the cathode off gas stored in the steam supply line 44 and the chamber 50 is gradually supplied to the reforming unit 25 while the supply flow rate is reduced by the regulating valve V1. The sulfur component on the reforming catalyst 28 is removed by supplying the cathode off gas. Further, the supply of the cathode off gas causes the gas in the reforming unit 25 to be discharged, and a gas flow is generated in the reformed gas supply line 36, the anode flow path 22, and the anode off gas line 38, and the anode flow path 22 and the anode off gas. The anode off gas staying in the line 38 is supplied to the reforming catalyst 28.

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 unit 25, whereas the combustible component in the anode off-gas supplied in the heating unit 26 is converted into an oxidation catalyst together with oxygen from the combustion support gas supply line 48. Burns in contact. The heat accompanying this combustion is supplied to the reforming catalyst 28 of the reforming section 25 via the partition wall section 30, and is used for removing sulfur components, that is, for recovering the catalytic activity.

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 catalyst regeneration controller 52 finishes the combustion of the anode off gas in the heating unit 26 based on information from the main controller (for example, the anode off gas component (gas sensor output) and the temperature distribution of the heating unit 26). Determine whether or not. If it is determined that the combustion in the heating unit 26 has not ended, the process returns to step S22 and is repeated until the end of combustion. On the other hand, if it is determined that the combustion in the heating unit 26 has ended, the process proceeds to step S24, and the on-off valve V3 is fully closed. Further, the cooling air pump 45 is stopped. As a result, the supply of low-temperature air that lowers the temperature of the reforming unit 25 (reforming catalyst 28) by sensible heat cooling is stopped.

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 catalyst regeneration controller 52 proceeds to step S26, and determines whether or not the elapsed time from the partial opening of the regulating valve V1, that is, the start of supply of the cathode off gas to the reforming unit 25, has reached a predetermined time. If the predetermined time has not elapsed since the start of the cathode offgas supply, the process returns to step S26 and is repeated until the predetermined time elapses. When a predetermined time has elapsed from the start of the cathode offgas supply, that is, when the catalyst regeneration end condition is satisfied, the process proceeds to step S28, where the regulating valve V1, the on-off valves V2, V3 are fully opened, and the control is terminated. Thereby, the fuel cell system 10 returns to the control state by the main controller, and restarts the operation for generating power by the fuel cell 12. The predetermined time for supplying the cathode off gas to the reforming unit 25 may be, for example, a preset time or may be calculated from an operation time between catalyst regenerations.

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 fuel cell system 10, the cathode offgas of the fuel cell 12 is supplied to the reforming unit 25 to regenerate the reforming catalyst 28, that is, to recover the catalyst activity. The regeneration of the catalyst 28 can be performed. Specifically, the cathode offgas contains water vapor and oxygen necessary for the regeneration of the reforming catalyst 28, and the cathode offgas itself has a temperature (heat) corresponding to the operating temperature of the fuel cell 12, for example. , Evaporating water (supplying latent heat) to generate water vapor and supplying it to the reforming catalyst 28, and directly contributing to the operation of the fuel cell 12 and the hydrogen generation in the reformer 14 to the heating unit 26. Compared with the configuration in which the reforming catalyst 28 is heated by supplying unperformed fuel, energy for generating steam and energy for heating the reforming catalyst 28 are unnecessary, and the efficiency of the entire system is high.

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 fuel cell system 10, the anode off gas (combustible gas) staying in the anode flow path 22 and the anode off gas line 38 of the fuel cell 12 is burned in the heating unit 26, so that it does not depend on external energy supply. Further, heat necessary for catalyst regeneration can be further applied to the reforming catalyst 28 of the reforming unit 25. Thereby, the sulfur component on the reforming catalyst 28 can be more effectively removed. Immediately after stopping the raw material pump 32 (reforming raw material supply) for catalyst regeneration, the endothermic reaction on the reforming side decreases, while the heat balance on the heating side is generated. There is no state. By this imbalance, it is possible to raise the temperature of the reforming catalyst 28 in a relatively short time.

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 fuel cell system 10 according to the first embodiment of the present invention, the catalytic activity of the reforming catalyst 28 can be efficiently recovered.

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 fuel cell system 10, the cathode off gas is supplied to the reforming unit 25 for catalyst regeneration. In other words, both the water vapor contributing to (promoting) catalyst regeneration and low-concentration oxygen are reformed. Therefore, sufficient recovery of the catalyst activity can be realized in a very short regeneration step. In the fuel cell system 10 to which the combustion heat of the anode off gas is supplied as described above, the catalyst regeneration time with respect to the operation time is several tenths to hundreds in order to satisfy the three conditions of water vapor, low concentration oxygen, and temperature. It can be a tenth. For this reason, in the fuel cell system 10, the catalytic activity of the reforming catalyst 28 could be recovered by the catalyst regeneration step for the predetermined time described above.

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 fuel cell system 10, the pressure of the water vapor supply line 44 is increased by closing the regulating valve V1 before starting the catalyst regeneration step, and the cathode off-gas is stored in a short time after the fuel supply is stopped. It was realized that the supply to the reforming unit 25 was continued. That is, a limited amount of cathode off-gas supplyable time was converted to pressure, stored, and supplied for a predetermined time while being throttled by the regulating valve V1. In addition, since the water vapor supply line 44 is provided with the chamber 50, it has been realized that a sufficient amount of cathode off-gas can be stored in the regeneration process.

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 fuel cell system 60 according to the second embodiment of the present invention in a system flow diagram corresponding to FIG. As shown in this figure, the fuel cell system 60 differs from the fuel cell system 10 in that an accumulator 62 is provided instead of the chamber 50.

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 accumulator 62 is connected to the downstream end of the branch line 64 branched from the portion between the regulating valve V1 and the on-off valve V2 in the water vapor supply line 44. Similarly to the chamber 50, the capacity of the accumulator 62 is determined so that the catalyst regeneration process for a predetermined time can be performed in a state where the cathode off-gas having a predetermined pressure is stored. The branch line 64 is provided with an on-off valve V4 that can be opened and closed by the catalyst regeneration controller 52. The on-off valve V4 is fully closed during normal operation of the fuel cell system 10.

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 fuel cell system 60 are the same as the corresponding configurations of the fuel cell system 10.

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 fuel cell system 60 according to the second embodiment can obtain the same effect by the same operation as the fuel cell system 10 according to the first embodiment. Further, in the fuel cell system 60 including the accumulator 62 and the on-off valve V4, when the fuel cell system 10 is started up, the accumulator 62 is smoothly started up without being filled with the cathode off gas, and the accumulator is operated during the operation of the fuel cell 12. The cathode off gas can be stored in 62.

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 fuel cell 12 and the reformed gas generation amount of the reformer 14 is reduced, the cathode off gas becomes excessive with respect to the required reforming amount. The on / off valve V4 is opened while the pressure is reduced, and the cathode offgas can be stored in the accumulator 62 while reducing the amount of cathode offgas supplied to the reforming unit 25. Further, for example, the cathode off gas can be stored in the accumulator 62 while reducing the power generation amount of the fuel cell 12 immediately before performing the regeneration step for recovering the catalytic activity of the reforming catalyst 28. That is, the fuel cell system 60 can also convert the cathode fugus into the pressure of the water vapor supply line 44 and the accumulator 62 and hold it before starting the catalyst regeneration step, which is sufficient for the recovery of the catalytic activity of the reforming catalyst 28. Time catalytic reforming steps can be performed.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステムフロー図である。1 is a system flow diagram showing a schematic overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池の模式図である。It is a mimetic diagram of a fuel cell which constitutes a fuel cell system concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの触媒再生用の制御フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control flow for catalyst reproduction | regeneration of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステムフロー図である。It is a system flow figure showing a schematic whole structure of a fuel cell system concerning a 2nd embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 10 Fuel cell system 12 Fuel cell 16 Anode electrode 18 Cathode electrode 25 Reforming part 26 Heating part 28 Reforming catalyst 42 Cathode air supply line (supply line)
50 chamber (gas reservoir)
52 Catalyst regeneration controller (catalyst regeneration means)
60 Fuel cell system 62 Accumulator (gas reservoir)
V1 regulating valve (catalyst regeneration means, throttle means)
V2 to V4 open / close valve (catalyst regeneration means)

Claims (4)

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:
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請求項1記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the catalyst regeneration unit includes a gas storage unit that is provided in the supply line and stores the cathode off gas . 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請求項1又は請求項2記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the catalyst regeneration unit includes a throttle unit that throttles a supply flow rate of the cathode off gas to supply the cathode off gas to the reforming unit over a predetermined time . 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。 The reforming section is provided with a heating section for supplying the reforming catalyst with heat obtained by burning anode off-gas discharged from an anode electrode that consumes the hydrogen-containing gas in the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 .
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