JP3941240B2

JP3941240B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP3941240B2
Application number: JP18151098A
Authority: JP
Inventors: 厚至工匠
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-06-11
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2018-06-11
Also published as: JP2000003716A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素源として改質装置を用いる燃料電池システムにおいて、改質原料を蒸発、昇温する蒸発部と、その原料を水素に変換する改質部と、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減するＣＯ低減部とから構成される前記改質装置の前記ＣＯ低減部の冷媒入口部に冷媒を加熱する加熱手段を配設して、ＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にする燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムにおいて、水素源として改質装置を用いることが多い。この改質装置のＣＯ低減部では通常、ＣＯを含む水素リッチの改質ガスに酸素（空気）を付加して二酸化炭素ＣＯ₂に変換している。
【０００３】
その反応の際のガスの温度制御が重要で、移動体の改質装置を考えた場合、装置自体を小型化するために一酸化炭素除去装置（特開平８−１００１８４）の様に、図８に示されるように熱交換器Ｈを組み合わせ、冷媒Ｃを用いて冷却しながらＣＯ酸化反応させている例があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の一酸化炭素除去装置におけるＣＯ酸化反応に用いる触媒はＰｔ等の貴金属触媒を使うのが一般的で、その活性温度は１００〜１５０℃といわれている。燃料電池ＦＣへはＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下の改質ガスを送る必要が有り、そのためには上記活性温度を保持しなければならない。
【０００５】
冷媒を持つＣＯ低減器は、従来、立ち上げ時に冷媒を１００℃以上にＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間がかかり、燃料電池発電開始までに数十分オーダーの時間が必要であるという問題があった。
【０００６】
上記従来の一酸化炭素除去装置では、時間短縮の手段として低温触媒を使う例が出ているが、第２反応部ＳにおいてＰｔ触媒を活性温度に昇温する時間がかかるとともに、また第１反応部Ｆにおいて１００℃以下で反応するため、改質後およびＣＯ低減時に生成した水が凝縮し、燃料電池ＦＣの入口で再度加湿する必要があり、加湿器が必要になるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明者は、水素源として改質装置を用いる燃料電池システムにおいて、改質原料を蒸発、昇温する蒸発部と、その原料を水素に変換する改質部と、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減するＣＯ低減部とから構成される前記改質装置の前記ＣＯ低減部の冷媒入口部に配設された加熱手段により冷媒を加熱するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという目的を達成する本発明に到達した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の燃料電池システムは、
水素源として改質装置を用いる燃料電池システムにおいて、
改質原料を蒸発、昇温する蒸発部と、その原料を水素に変換する改質部と、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減するＣＯ低減部とから構成される前記改質装置の前記ＣＯ低減部を熱交換により温度制御するための冷媒を搬送する冷媒搬送ラインとを備え、
前記冷媒搬送ラインの前記ＣＯ低減部の冷媒入口部に冷媒を加熱する加熱手段を配設した
ものである。
本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃料電池システムは、
前記第１発明において、
前記ＣＯ低減部には、前記冷媒が通過する複数のチューブを、前記複数のチューブ間に配設されたフィンと、前記フィン間に充填あるいは担持された触媒を配設した
ものである。
【０００９】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の燃料電池システムは、
前記第１発明または第２発明において、
前記加熱手段が、付加された燃焼装置によって構成されている
ものである。
【００１０】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の燃料電池システムは、
前記第１発明または第２発明において、
前記加熱手段が、前記蒸発部の廃熱を利用して冷媒を加熱する加熱装置によって構成されている
ものである。
【００１１】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の燃料電池システムは、
前記第３発明において、
前記加熱手段が、前記燃焼装置の熱を利用して冷媒を加熱する熱交換器によって構成されている
ものである。
【００１２】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の燃料電池システムは、
前記第３発明において、
前記燃焼装置が、燃焼用の燃料および空気の量を制御することにより、熱交換器によって加熱される前記冷媒の温度を所定範囲内に制御するように構成されている
ものである。
【００１３】
本発明の燃料電池システムは、
前記第６発明において、
始動時において、前記ＣＯ低減部に供給される前記冷媒の温度が所定温度範囲内にない場合は、冷媒の温度が所定温度範囲内に該当するように燃焼用の燃料および空気の量が制御されるように構成されている
ものである。
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、
前記発明において、
前記ＣＯ低減部が最適反応温度範囲内に該当しない場合であって、前記ＣＯ低減部に供給される前記冷媒の温度が所定温度範囲内にない場合は、冷媒の温度が所定温度範囲内に該当するように燃焼用の燃料および空気の量が制御されるように構成されている
ものである。
【００１５】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の燃料電池システムは、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減する前記改質装置の前記ＣＯ低減部を熱交換により温度制御するための冷媒を搬送する冷媒搬送ラインの前記ＣＯ低減部の冷媒入口部に配設された前記加熱手段によって冷媒を加熱して、前記ＣＯ低減部に導入されるので、加熱された冷媒を使用した熱交換によって前記ＣＯ低減部を温度制御しているため、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始までの時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏するとともに、小型化および応答性向上を実現するという効果を奏する。
上記構成より成る第２発明の燃料電池システムは、前記第１発明において、
前記ＣＯ低減部には、前記冷媒が通過する複数のチューブを、前記複数のチューブ間に配設されたフィンと、前記フィン間に充填あるいは担持された触媒を配設したので、改質ガス中における改質の際に副生成される一酸化炭素を低減して、前記燃料電池に供給することを可能にするという効果を奏する。
【００１６】
上記構成より成る第３発明の燃料電池システムは、前記第１発明または第２発明において、前記加熱手段を構成する前記付加された燃焼装置によって、冷媒を加熱して前記ＣＯ低減部に導入されるので、始動時における昇温時間を任意かつ有効に短縮するという効果を奏する。
【００１７】
上記構成より成る第４発明の燃料電池システムは、前記第１発明または第２発明において、前記加熱手段を構成する前記加熱装置が、前記蒸発部の廃熱を利用して冷媒を加熱するので、始動時の冷媒加熱用の特別の燃料および燃焼装置が不要であるという効果を奏する。
【００１８】
上記構成より成る第５発明の燃料電池システムは、前記第３発明において、前記加熱手段を構成する前記熱交換器が、前記燃焼装置の熱を利用して冷媒を加熱するので、始動時における昇温時間を有効に短縮するという効果を奏する。
【００１９】
上記構成より成る第６発明の燃料電池システムは、前記第３発明において、前記燃焼装置が、燃焼用の燃料および空気の量を制御することにより、熱交換器によって加熱される前記冷媒の温度を所定範囲内に制御するので、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏する。
【００２０】
上記構成より成る本発明の燃料電池システムは、前記第６発明において、始動時において、前記ＣＯ低減部に供給される前記冷媒の温度が所定温度範囲内にない場合は、冷媒の温度が所定温度範囲内に該当するように燃焼用の燃料および空気の量が制御されるので、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏する。
【００２１】
上記構成より成る本発明の燃料電池システムは、前記発明において、前記ＣＯ低減部が最適反応温度範囲内に該当しない場合であって、前記ＣＯ低減部に供給される前記冷媒の温度が所定温度範囲内にない場合は、冷媒の温度が所定温度範囲内に該当するように燃焼用の燃料および空気の量が制御されるので、ＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
本第１実施形態の燃料電池システムは、図１ないし図３に示されるように水素源として改質装置１を用いる燃料電池システムにおいて、蒸発部２と改質部３とＣＯ低減部４とから構成される前記改質装置１の前記ＣＯ低減部４の冷媒入口部に冷媒を加熱する加熱手段６を配設したものである。
【００２４】
前記改質装置は、改質原料を蒸発、昇温する前記蒸発部２と、その原料を水素に変換する前記改質部３と、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減する前記ＣＯ低減部４とから構成される。
【００２５】
前記蒸発部２は、メタノールと水が収容されるタンク２１に連絡しているとともに、メタノールが収容される第２のタンク２２および空気を供給するエアポンプ２３に連絡している蒸発用バーナー５を備えている。
【００２６】
前記改質部３は、前記蒸発部２と前記ＣＯ低減部４との間に配設され、エアポンプ２４を介して燃料電池１１に連絡している。
【００２７】
前記ＣＯ低減部４は、図２に示されるようなＰｔ等の貴金属触媒がフィン間に充填あるいは担持された熱交換器によって構成され、冷媒搬送ライン１０を介して冷媒ポンプ９に連通しているとともに、エアポンプ２４を介して燃料電池１１に連絡しており、前記冷媒ポンプ９から供給される冷媒をチューブ４１内を通過させ、隣り合うチューブ４１の間に積層配設されたフィン４２によって改質ガス中における改質の際に副生成される一酸化炭素を低減して、前記燃料電池１１に供給するように構成されている。
【００２８】
本ＣＯ低減部４は、冷却媒体として、油等の専用冷却媒体を利用するものである。すなわち図２は、本第１実施形態における前記ＣＯ低減部４の構造を示す。前記フィン４２はＰｔ等の貴金属触媒が充填あるいは担持されている触媒層を構成するものであって、当該前記フィン４２を挾持する冷媒通路としての薄肉のチューブ４１から構成されている。
【００２９】
前記加熱手段６は、図１および図２に示されるように前記ＣＯ低減部４と前記冷媒ポンプ９との間の冷媒搬送ライン１０の前記ＣＯ低減部４の冷媒入口部に配設されている。
【００３０】
前記加熱手段６は、図１および図２に示されるようにイグナイタ６１を備えた燃焼装置６２と、該燃焼装置６２の熱を利用して冷媒を加熱する熱交換器６３とによって構成されている。
【００３１】
前記燃焼装置６２は、前記第２のタンク２２に収容されたメタノールを供給するメタノールポンプ２５に配管を介して連絡するとともに、空気を供給するエアポンプ２３に連絡している。
【００３２】
前記加熱手段６内を通過した冷媒搬送ライン１０は、ラジエター７を介してリザーバ７０に連通している。
【００３３】
コントローラ８は、隣り合うチューブ４１の間に積層配設されたフィン４２の温度すなわち改質ガスの反応温度を検出するＴ１温度センサ８１と、前記冷媒搬送ライン１０の前記ＣＯ低減部４の冷媒入口部に配設され該ＣＯ低減部４に導入される冷媒の温度を検出するＴ２温度センサ８２と、エアポンプ２３から供給される空気量を検出する流量センサ８３とに接続され、検出信号が入力される。
【００３４】
前記コントローラ８は、入力された検出信号に基づき前記メタノールポンプ２５と、前記イグナイタ６１と、前記冷媒ポンプ９と前記エアポンプ２４にそれぞれ制御信号が出力されるように構成されている。
【００３５】
本コントローラ８の制御フローについて、図３および図４を用いて説明する。ステップ１０１において、始動時か定常時（通常運転時）かが判断され、始動時の場合はステップ１０２において、前記Ｔ２温度センサ８２によって検出された前記ＣＯ低減部４に導入される冷媒の温度が所定範囲内（β０〜βｔ）に該当するかどうかが判断される。
【００３６】
冷媒の温度が所定範囲内（β０〜βｔ）に該当しない場合は、ステップ１０３において、前記メタノールポンプ２５のメタノール流量ＱＭと、前記エアポンプ２４の前記燃焼装置６２に供給されるバーナ空気量ＱＡおよび前記冷媒ポンプ９の冷媒流量ｑｔが演算され、制御信号が出力される。
【００３７】
ステップ１０４において、Ｔ１温度センサ８１によって検出された改質ガスの反応温度が所定範囲内（α０〜αｔ）に該当するかどうかが判断される。
【００３８】
改質ガスの反応温度が所定範囲内（α０〜αｔ）に該当しない場合は、ステップ１０２に戻るが、該当する場合は制御が停止される。
【００３９】
上記構成より成る第１実施形態の燃料電池システムにおいては、起動時は改質原料であるメタノールおよび水を前記蒸発部１にて蒸発用バーナー５等の加熱により約２５０℃に加熱し、前記改質部３において水素リッチの改質ガスに改質変換される。
【００４０】
この２５０〜３００℃の改質ガスが、前記ＣＯ低減部４のＰｔ等の貴金属触媒に供給されるので、該Ｐｔ等の貴金属触媒によって一酸化炭素ＣＯを選択的に酸化するため、空気（酸素）を該ＣＯ低減部４に送出する。
【００４１】
始動時はＣＯ酸化触媒が、雰囲気温度から反応温度である１００〜１５０℃に早期に至らしめるよう、熱交換器６３によって冷媒を昇温する。すなわち冷媒加熱装置６は、上述したように熱交換器になっており、メタノール燃焼（バーナーあるいは触媒燃焼）の加熱により冷媒が昇温される。反応最適温度のＴ１に至らしめるため、冷媒温度のＴ２の制御をメタノール燃焼と前記冷媒ポンプ９の送出量により制御される。
【００４２】
上記作用を奏する第１実施形態の燃料電池システムは、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減する前記改質装置３の前記ＣＯ低減部４の冷媒入口部に配設された前記加熱手段６によって冷媒を加熱して、前記ＣＯ低減部４に導入されるので、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を従来の１／４〜１／５に短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏する。
【００４３】
すなわち燃料電池システムを車両等の移動体や可搬型に適用する場合、立ち上げ時や負荷変動に追従できる応答性や小型化が要求される。
燃料源となる例えば１０ｐｐｍ以下の低ＣＯ濃度の水素リッチな改質ガスを生成する改質装置において、システム立ち上げ時に瞬時に燃料電池に送出できれば、起動から発電までの時間が短縮でき、利便性が向上する。
【００４４】
そのためには、改質装置の構成部品であるＣＯ低減部４の運転温度までの早期昇温が必要である。移動体用の燃料電池システムを考えた場合、小型化、応答性向上のために、前記改質装置１の前記ＣＯ低減部４は冷媒を冷却体として温度制御を行う熱交換型を用いるのが望ましい。
【００４５】
起動時は冷媒が雰囲気温であるため、前記熱交換器６３内にある冷媒が昇温されるのに時間がかかる。更に、熱交換器６３内の冷媒が昇温されても運転温度を一定に保つために、前記冷媒ポンプ９による冷媒の供給により冷媒が前記熱交換器６３内に入ると、運転温度より下がるので、その冷媒が順次昇温されるまで時間がかかる。
【００４６】
本第１実施形態においては、起動時に前記ＣＯ低減部の冷媒入口部に冷媒を加熱する前記加熱手段６を設けて、早期に前記改質装置１を、ひいては燃料電池システムを立ち上げることを実現するものである。
【００４７】
また第１実施形態の燃料電池システムは、前記加熱手段６を構成する前記付加された燃焼装置６２によって、冷媒を加熱して前記ＣＯ低減部４に導入されるので、始動時における昇温時間を任意かつ有効に短縮するという効果を奏する。
【００４８】
さらに第１実施形態の燃料電池システムは、前記加熱手段６を構成する前記熱交換器６３が、前記燃焼装置６２の熱を利用して冷媒を加熱するので、始動時における昇温時間を有効に短縮するという効果を奏する。
【００４９】
また第１実施形態の燃料電池システムは、前記燃焼装置６２が、燃焼用の燃料および空気の量を制御することにより、前記熱交換器６３によって加熱される前記冷媒の温度を所定範囲内に速やかに制御するという効果を奏する。
【００５０】
さらに第１実施形態の燃料電池システムは、始動時において、前記ＣＯ低減部に供給される前記冷媒の温度が所定温度範囲内にない場合は、冷媒の温度が所定温度範囲内に該当するように燃焼用の燃料および空気の量が制御されるので、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏する。
【００５１】
（第２実施形態）
本第２実施形態の燃料電池システムは、図５および図６に示されるように前記加熱手段６が、前記蒸発部２の廃熱を利用して冷媒を加熱する加熱装置６によって構成されている点が相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００５２】
図５に示されるように燃料送出ライン３２を介して前記加熱装置６は、タンク２１に収容されたメタノールおよび水を供給する燃料送出ポンプ３１と前記蒸発部２とを連絡する配管２１１に連絡しており、該配管２１１の燃料送出ポンプ３１と前記蒸発部２との間に配置された切替バルブ３３に配管３４を介して連絡している。
【００５３】
すなわち、本第２実施形態においては、冷媒に第１実施形態のような専用媒体を持たずに、改質原料を冷媒として利用するものである。
起動時は前記第１実施形態に準じて制御される。前記第１実施形態と異なる点はＴ₁を制御するため冷媒送出量をリニア制御できる前記切替バルブ３３によって制御することである。
【００５４】
本第２実施形態における制御フローについて、図６および図７を用いて説明する。
ステップ２０１において、始動時か定常時（通常運転時）かが判断され、始動時の場合はステップ２０２において、前記Ｔ２温度センサ８２によって検出された前記ＣＯ低減部４に導入される冷媒の温度が所定範囲内（β０〜βｔ）に該当するかどうかが判断される。
【００５５】
冷媒の温度が所定範囲内（β０〜βｔ）に該当しない場合は、ステップ２０３において、図７に示されるように前記メタノールポンプ２５のメタノール流量ＱＭと、前記エアポンプ２４の前記燃焼装置６２に供給されるバーナ空気量ＱＡおよび前記切替バルブ３３の開度γ（％）が演算され、制御信号が出力される。
【００５６】
すなわち前記メタノールポンプ２５のメタノール流量ＱＭと、前記エアポンプ２４の前記燃焼装置６２に供給されるバーナ空気量ＱＡおよび前記切替バルブ３３の開度γ（％）は、前記燃料送出ポンプ３１の流量によって決定される。
【００５７】
ステップ２０４において、Ｔ１温度センサ８１によって検出された改質ガスの反応温度が所定範囲内（α０〜αｔ）に該当するかどうかが判断される。
【００５８】
改質ガスの反応温度が所定範囲内（α０〜αｔ）に該当しない場合は、ステップ２０２に戻るが、該当する場合は制御が停止される。
【００５９】
上記作用を奏する第２実施形態の燃料電池システムは、前記加熱手段を構成する前記加熱装置が、前記蒸発部２の廃熱を利用して冷媒を加熱するので、始動時の冷媒加熱用の冷媒および冷媒供給装置が不要であり、システムをシンプルにしてコストを低減するという効果を奏する。
【００６０】
また、第２実施形態の燃料電池システムの方が前記蒸発部２の前記蒸発バーナー５による加熱量が少なくて良いのでシステム効率が上がるという効果を奏する。
【００６１】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】本第１実施形態の燃料電池システムにおける冷媒供給ラインおよびＣＯ低減部の熱交換器を示すブロック図である。
【図３】本第１実施形態の燃料電池システムにおける制御フローを示すチャート図である。
【図４】本第１実施形態の燃料電池システムの各部の信号波形を示すタイムチャート図である。
【図５】本発明の第２実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。
【図６】本第２実施形態の燃料電池システムにおける制御フローを示すチャート図である。
【図７】本第２実施形態の燃料電池システムの各部の信号波形を示すタイムチャート図である。
【図８】従来の一酸化炭素除去装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１改質装置
２蒸発部
３改質部
４ＣＯ低減部
６加熱手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system using a reformer as a hydrogen source, an evaporation section for evaporating and raising the temperature of a reforming raw material, a reforming section for converting the raw material into hydrogen, and a by-product generated during reforming. The heating device for heating the refrigerant is disposed at the refrigerant inlet of the CO reduction unit of the reformer, and the temperature rises by an exothermic reaction due to the CO oxidation reaction. The present invention relates to a fuel cell system that shortens the time until the start of fuel cell power generation, shortens the time until the start of fuel cell power generation, and eliminates the need for humidification at the fuel cell inlet.
[0002]
[Prior art]
In a conventional fuel cell system, a reformer is often used as a hydrogen source. This is a CO reduction unit of the reformer usually converted into carbon dioxide (CO ₂₎ by adding oxygen (air) into hydrogen-rich reformed gas containing CO.
[0003]
Control of the temperature of the gas during the reaction is important, and when considering a reforming device for a moving body, a carbon monoxide removal device (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 8-100194), as shown in FIG. As shown in FIG. 2, there is an example in which the heat exchanger H is combined and the CO oxidation reaction is performed while cooling using the refrigerant C.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The catalyst used for the CO oxidation reaction in the conventional carbon monoxide removal apparatus generally uses a noble metal catalyst such as Pt, and its activation temperature is said to be 100 to 150 ° C. It is necessary to send a reformed gas having a CO concentration of 10 ppm or less to the fuel cell FC, and for this purpose, the activation temperature must be maintained.
[0005]
Conventionally, a CO reducer having a refrigerant takes time until the temperature of the refrigerant is raised to 100 ° C. or more by an exothermic reaction due to the CO oxidation reaction at the time of start-up, and it takes several tens of minutes to start fuel cell power generation. There was a problem.
[0006]
In the conventional carbon monoxide removal apparatus, there is an example in which a low temperature catalyst is used as means for shortening the time. However, it takes time to raise the Pt catalyst to the activation temperature in the second reaction section S, and the first reaction is also performed. Since the reaction occurs at 100 ° C. or lower in the part F, there is a problem that water generated after reforming and CO reduction needs to be condensed and humidified again at the inlet of the fuel cell FC, which requires a humidifier.
[0007]
In view of this, the present inventor, in a fuel cell system using a reformer as a hydrogen source, has an evaporation section for evaporating and raising the temperature of a reforming raw material, a reforming section for converting the raw material into hydrogen, In accordance with the technical idea of the present invention, the refrigerant is heated by the heating means disposed at the refrigerant inlet of the CO reduction unit of the reformer configured by the CO reduction unit configured to reduce the generated carbon monoxide. As a result of further research and development, the time until the temperature rises due to the exothermic reaction due to the CO oxidation reaction at start-up is shortened, the time until fuel cell power generation starts is shortened, and humidification at the fuel cell inlet is unnecessary. The present invention has been achieved to achieve the purpose of.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell system of the present invention (first invention according to claim 1) is
In a fuel cell system using a reformer as a hydrogen source,
The reformer is composed of an evaporating section for evaporating and raising the temperature of the reforming raw material, a reforming section for converting the raw material into hydrogen, and a CO reducing section for reducing carbon monoxide by-produced during the reforming. A refrigerant transport line for transporting a refrigerant for controlling the temperature of the CO reduction part of the quality device by heat exchange,
A heating means for heating the refrigerant is disposed at the refrigerant inlet of the CO reduction unit of the refrigerant conveyance line .
The fuel cell system of the present invention (the second invention according to claim 2),
In the first invention,
In the CO reduction part, a plurality of tubes through which the refrigerant passes are provided with fins arranged between the plurality of tubes and a catalyst filled or supported between the fins.
Is.
[0009]
The fuel cell system of the present invention (the third invention according to claim 3 ),
In the first invention or the second invention ,
The heating means is constituted by an added combustion device.
[0010]
The fuel cell system of the present invention (the fourth invention according to claim 4 ) is:
In the first invention or the second invention ,
The said heating means is comprised by the heating apparatus which heats a refrigerant | coolant using the waste heat of the said evaporation part.
[0011]
The fuel cell system of the present invention (the fifth invention according to claim 5 ) is:
In the third invention,
The said heating means is comprised with the heat exchanger which heats a refrigerant | coolant using the heat of the said combustion apparatus.
[0012]
The fuel cell system of the present invention (the sixth invention according to claim 6 )
In the third invention,
The combustion device is configured to control the temperature of the refrigerant heated by the heat exchanger within a predetermined range by controlling the amount of fuel and air for combustion.
[0013]
This onset Akira of the fuel cell system,
In the sixth invention,
When starting, if the temperature of the refrigerant supplied to the CO reduction unit is not within a predetermined temperature range, the amounts of combustion fuel and air are controlled so that the temperature of the refrigerant falls within the predetermined temperature range. It is comprised so that.
[0014]
This onset Akira of the fuel cell system,
In the previous Symbol onset Akira,
When the CO reduction unit does not fall within the optimum reaction temperature range, and the temperature of the refrigerant supplied to the CO reduction unit is not within the predetermined temperature range, the refrigerant temperature falls within the predetermined temperature range. Thus, the amount of fuel and air for combustion is controlled.
[0015]
Operation and effect of the invention
The fuel cell system according to the first aspect of the present invention configured as described above conveys a refrigerant for controlling the temperature of the CO reduction unit of the reformer that reduces by-produced carbon monoxide during reforming by heat exchange. Since the refrigerant is heated by the heating means disposed at the refrigerant inlet of the CO reduction part of the refrigerant conveyance line and introduced into the CO reduction part, the CO reduction is achieved by heat exchange using the heated refrigerant. Because the temperature of the unit is controlled, the time until the temperature rises due to the exothermic reaction due to the CO oxidation reaction at the time of start-up is shortened, the time to start fuel cell power generation is shortened, and humidification at the fuel cell inlet is not required In addition, there is an effect of realizing downsizing and improvement of responsiveness .
The fuel cell system according to a second aspect of the present invention having the above-described configuration is the above first aspect,
In the CO reduction section, a plurality of tubes through which the refrigerant passes are provided with fins disposed between the plurality of tubes and a catalyst filled or supported between the fins. This produces an effect of reducing carbon monoxide by-produced during reforming and supplying it to the fuel cell.
[0016]
The fuel cell system according to a third aspect of the present invention having the above-described configuration is the refrigerant according to the first or second aspect , wherein the refrigerant is heated and introduced into the CO reduction unit by the added combustion device constituting the heating means. Therefore, there is an effect that the temperature raising time at the time of starting is arbitrarily and effectively shortened.
[0017]
In the fuel cell system of the fourth invention having the above-described configuration, in the first invention or the second invention , the heating device constituting the heating unit heats the refrigerant using waste heat of the evaporation section. There is an effect that a special fuel and a combustion device for heating the refrigerant at the time of starting are unnecessary.
[0018]
In the fuel cell system according to a fifth aspect of the present invention having the above-described structure, in the third aspect , the heat exchanger constituting the heating means heats the refrigerant using the heat of the combustion device. There is an effect of effectively shortening the warm time.
[0019]
The fuel cell system according to a sixth aspect of the present invention having the above-described configuration is the fuel cell system according to the third aspect , wherein the combustion device controls the amount of fuel and air for combustion to control the temperature of the refrigerant heated by the heat exchanger. Since it is controlled within a predetermined range, the time until the temperature rises due to the exothermic reaction due to the CO oxidation reaction at the time of starting is shortened, the time until fuel cell power generation starts is shortened, and the humidification at the fuel cell inlet is not required Play.
[0020]
In the fuel cell system of the present invention having the above-described configuration, in the sixth aspect of the invention, when the temperature of the refrigerant supplied to the CO reduction unit is not within a predetermined temperature range at the time of starting, the temperature of the refrigerant is a predetermined temperature. The amount of fuel and air for combustion is controlled so as to fall within the range, so the time until the temperature rises due to the exothermic reaction due to the CO oxidation reaction at the start is shortened, and the time until fuel cell power generation starts is shortened At the same time, there is an effect of eliminating the need for humidification at the fuel cell inlet.
[0021]
The fuel cell system of the present invention having the above described construction, prior Symbol onset bright, in a case where the CO reduction portion does not correspond to the optimum reaction temperature range, the temperature of the refrigerant supplied to the CO reduction unit is predetermined When the temperature is not within the temperature range, the amount of fuel and air for combustion is controlled so that the temperature of the refrigerant falls within the predetermined temperature range, so the time is shortened until the temperature rises due to the exothermic reaction by the CO oxidation reaction. Thus, it is possible to shorten the time until the start of fuel cell power generation and eliminate the need for humidification at the fuel cell inlet.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0023]
(First embodiment)
The fuel cell system according to the first embodiment includes an evaporation unit 2, a reforming unit 3, and a CO reduction unit 4 in a fuel cell system using the reforming device 1 as a hydrogen source as shown in FIGS. A heating means 6 for heating the refrigerant is disposed at the refrigerant inlet of the CO reduction unit 4 of the reformer 1 configured.
[0024]
The reformer reduces the evaporation unit 2 that evaporates and raises the temperature of the reforming raw material, the reforming unit 3 that converts the raw material into hydrogen, and carbon monoxide by-produced during the reforming. The CO reduction part 4 is comprised.
[0025]
The evaporation section 2 is in communication with a tank 21 in which methanol and water are stored, and also includes an evaporation burner 5 in communication with a second tank 22 in which methanol is stored and an air pump 23 for supplying air. ing.
[0026]
The reforming unit 3 is disposed between the evaporation unit 2 and the CO reduction unit 4 and communicates with the fuel cell 11 via an air pump 24.
[0027]
The CO reduction unit 4 is constituted by a heat exchanger in which a noble metal catalyst such as Pt as shown in FIG. 2 is filled or supported between the fins, and communicates with the refrigerant pump 9 via the refrigerant conveyance line 10. At the same time, it communicates with the fuel cell 11 via the air pump 24, allows the refrigerant supplied from the refrigerant pump 9 to pass through the tube 41, and is reformed by the fins 42 that are stacked between the adjacent tubes 41. Carbon monoxide by-produced during reforming in the gas is reduced and supplied to the fuel cell 11.
[0028]
The present CO reduction unit 4 uses a dedicated cooling medium such as oil as the cooling medium. That is, FIG. 2 shows the structure of the CO reduction unit 4 in the first embodiment. The fin 42 constitutes a catalyst layer filled or supported with a noble metal catalyst such as Pt, and is composed of a thin-walled tube 41 as a refrigerant passage for holding the fin 42.
[0029]
As shown in FIGS. 1 and 2, the heating means 6 is disposed at the refrigerant inlet of the CO reduction unit 4 in the refrigerant conveyance line 10 between the CO reduction unit 4 and the refrigerant pump 9. .
[0030]
As shown in FIGS. 1 and 2, the heating means 6 includes a combustion device 62 having an igniter 61 and a heat exchanger 63 that heats the refrigerant using the heat of the combustion device 62. .
[0031]
The combustion device 62 communicates with a methanol pump 25 that supplies methanol stored in the second tank 22 through a pipe and also communicates with an air pump 23 that supplies air.
[0032]
The refrigerant conveyance line 10 that has passed through the heating means 6 communicates with the reservoir 70 via the radiator 7.
[0033]
The controller 8 includes a T1 temperature sensor 81 that detects the temperature of the fins 42 that are stacked between adjacent tubes 41, that is, the reaction temperature of the reformed gas, and the refrigerant inlet of the CO reduction unit 4 of the refrigerant conveyance line 10. Connected to a T2 temperature sensor 82 for detecting the temperature of the refrigerant introduced into the CO reduction unit 4 and a flow rate sensor 83 for detecting the amount of air supplied from the air pump 23, and a detection signal is inputted. The
[0034]
The controller 8 is configured to output control signals to the methanol pump 25, the igniter 61, the refrigerant pump 9 and the air pump 24 based on the input detection signal.
[0035]
A control flow of the controller 8 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. In step 101, it is determined whether the engine is in a starting state or in a steady state (during normal operation). In the case of starting, in step 102, the temperature of the refrigerant introduced into the CO reduction unit 4 detected by the T2 temperature sensor 82 is determined. It is determined whether it falls within a predetermined range (β0 to βt).
[0036]
If the refrigerant temperature does not fall within the predetermined range (β0 to βt), in step 103, the methanol flow rate QM of the methanol pump 25, the burner air amount QA supplied to the combustion device 62 of the air pump 24, and the The refrigerant flow rate qt of the refrigerant pump 9 is calculated and a control signal is output.
[0037]
In step 104, it is determined whether or not the reaction temperature of the reformed gas detected by the T1 temperature sensor 81 falls within a predetermined range (α0 to αt).
[0038]
When the reaction temperature of the reformed gas does not fall within the predetermined range (α0 to αt), the process returns to step 102, but when it falls, the control is stopped.
[0039]
In the fuel cell system according to the first embodiment configured as described above, at the time of start-up, methanol and water, which are reforming raw materials, are heated to about 250 ° C. by heating the evaporating burner 5 and the like in the evaporating unit 1, and the modified In the mass part 3, it is reformed and converted into hydrogen-rich reformed gas.
[0040]
Since this reformed gas at 250 to 300 ° C. is supplied to a noble metal catalyst such as Pt in the CO reduction unit 4, air (oxygen) is used to selectively oxidize carbon monoxide CO by the noble metal catalyst such as Pt. ) Is sent to the CO reduction unit 4.
[0041]
At the time of start-up, the temperature of the refrigerant is raised by the heat exchanger 63 so that the CO oxidation catalyst quickly reaches the reaction temperature of 100 to 150 ° C. from the atmospheric temperature. That is, the refrigerant heating device 6 is a heat exchanger as described above, and the temperature of the refrigerant is raised by heating methanol combustion (burner or catalytic combustion). In order to reach the optimum reaction temperature T1, the control of the refrigerant temperature T2 is controlled by methanol combustion and the delivery amount of the refrigerant pump 9.
[0042]
The fuel cell system according to the first embodiment that exhibits the above-described action is arranged at the refrigerant inlet of the CO reduction unit 4 of the reformer 3 that reduces carbon monoxide by-produced during reforming. Since the refrigerant is heated by the heating means 6 and introduced into the CO reduction unit 4, the time until the temperature rises due to the exothermic reaction due to the CO oxidation reaction at the time of start-up is reduced to ¼ to 従来 of the conventional one. The effect of shortening the time until the start of fuel cell power generation and eliminating the need for humidification at the fuel cell inlet is achieved.
[0043]
That is, when the fuel cell system is applied to a moving body such as a vehicle or a portable type, responsiveness and downsizing that can follow the startup and load fluctuation are required.
In a reformer that generates hydrogen-rich reformed gas with a low CO concentration of, for example, 10 ppm or less as a fuel source, if it can be instantaneously sent to the fuel cell at system startup, the time from start-up to power generation can be shortened. Will improve.
[0044]
For this purpose, it is necessary to quickly raise the temperature to the operating temperature of the CO reduction unit 4 that is a component of the reformer. When considering a fuel cell system for a moving body, in order to reduce the size and improve the response, the CO reduction unit 4 of the reformer 1 uses a heat exchange type that performs temperature control using a refrigerant as a cooling body. desirable.
[0045]
Since the refrigerant is at ambient temperature at the time of startup, it takes time for the refrigerant in the heat exchanger 63 to be heated. Further, in order to keep the operating temperature constant even when the temperature of the refrigerant in the heat exchanger 63 is raised, when the refrigerant enters the heat exchanger 63 due to the supply of the refrigerant by the refrigerant pump 9, the temperature drops below the operating temperature. It takes time until the temperature of the refrigerant is gradually raised.
[0046]
In the first embodiment, the heating means 6 for heating the refrigerant is provided at the refrigerant inlet of the CO reduction unit at the time of start-up, and the reformer 1 and thus the fuel cell system can be started up early. To do.
[0047]
In the fuel cell system according to the first embodiment, since the refrigerant is heated and introduced into the CO reduction unit 4 by the added combustion device 62 that constitutes the heating means 6, the temperature increase time at the start-up is reduced. There is an effect of shortening arbitrarily and effectively.
[0048]
Furthermore, in the fuel cell system according to the first embodiment, the heat exchanger 63 that constitutes the heating means 6 uses the heat of the combustion device 62 to heat the refrigerant, so that the temperature increase time at the start-up is effective. There is an effect of shortening.
[0049]
In the fuel cell system according to the first embodiment, the combustion device 62 controls the amount of fuel and air for combustion so that the temperature of the refrigerant heated by the heat exchanger 63 can be quickly brought within a predetermined range. There is an effect of controlling.
[0050]
Furthermore, in the fuel cell system according to the first embodiment, when the temperature of the refrigerant supplied to the CO reduction unit is not within a predetermined temperature range at the time of starting, the temperature of the refrigerant falls within the predetermined temperature range. Since the amount of fuel and air for combustion is controlled, the time until the temperature rises due to the exothermic reaction due to the CO oxidation reaction at the time of start-up is shortened, and the time until fuel cell power generation is started is shortened. There is an effect of eliminating the need.
[0051]
(Second Embodiment)
In the fuel cell system according to the second embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, the heating unit 6 includes a heating device 6 that heats the refrigerant by using the waste heat of the evaporation unit 2. The point is the difference, and the difference will be mainly described below.
[0052]
As shown in FIG. 5, the heating device 6 communicates with a pipe 211 that connects the fuel delivery pump 31 that supplies methanol and water contained in the tank 21 and the evaporation unit 2 via the fuel delivery line 32. The switching valve 33 disposed between the fuel delivery pump 31 of the pipe 211 and the evaporator 2 is communicated via the pipe 34.
[0053]
That is, in the second embodiment, the reforming raw material is used as the refrigerant without having the dedicated medium as in the first embodiment.
At the time of activation, control is performed according to the first embodiment. The difference from the first embodiment is that control is performed by the switching valve 33 that can linearly control the refrigerant delivery amount in order to control T ₁ .
[0054]
A control flow in the second embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
In step 201, it is determined whether the engine is in a starting state or in a steady state (during normal operation). In the case of starting, in step 202, the temperature of the refrigerant introduced into the CO reduction unit 4 detected by the T2 temperature sensor 82 is determined. It is determined whether it falls within a predetermined range (β0 to βt).
[0055]
If the refrigerant temperature does not fall within the predetermined range (β0 to βt), in step 203, the refrigerant is supplied to the methanol flow rate QM of the methanol pump 25 and the combustion device 62 of the air pump 24 as shown in FIG. The burner air amount QA and the opening degree γ (%) of the switching valve 33 are calculated, and a control signal is output.
[0056]
That is, the methanol flow rate QM of the methanol pump 25, the burner air amount QA supplied to the combustion device 62 of the air pump 24, and the opening γ (%) of the switching valve 33 are determined by the flow rate of the fuel delivery pump 31. Is done.
[0057]
In step 204, it is determined whether or not the reaction temperature of the reformed gas detected by the T1 temperature sensor 81 falls within a predetermined range (α0 to αt).
[0058]
When the reaction temperature of the reformed gas does not fall within the predetermined range (α0 to αt), the process returns to step 202, but when it falls, the control is stopped.
[0059]
In the fuel cell system according to the second embodiment that exhibits the above-described operation, the heating device that constitutes the heating unit heats the refrigerant by using the waste heat of the evaporation unit 2, so that the refrigerant for heating the refrigerant at the start-up time In addition, the refrigerant supply device is unnecessary, and the system is simplified and the cost is reduced.
[0060]
Further, the fuel cell system according to the second embodiment has an effect that the system efficiency is improved because the heating amount of the evaporation unit 2 by the evaporation burner 5 may be small.
[0061]
The above-described embodiments have been illustrated for the purpose of explanation, and the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art will recognize from the claims, the detailed description of the invention, and the description of the drawings. Modifications and additions can be made without departing from the technical idea of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a refrigerant supply line and a heat exchanger of a CO reduction unit in the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 3 is a chart showing a control flow in the fuel cell system of the first embodiment.
FIG. 4 is a time chart showing signal waveforms at various parts of the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 5 is a block diagram showing a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a chart showing a control flow in the fuel cell system of the second embodiment.
FIG. 7 is a time chart showing signal waveforms of respective parts of the fuel cell system according to the second embodiment.
FIG. 8 is a block diagram showing a conventional carbon monoxide removing apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reformer 2 Evaporating part 3 Reforming part 4 CO reduction part 6 Heating means

Claims

In a fuel cell system using a reformer as a hydrogen source,
The reformer is composed of an evaporating section for evaporating and raising the temperature of the reforming raw material, a reforming section for converting the raw material into hydrogen, and a CO reducing section for reducing carbon monoxide by-produced during the reforming. A refrigerant conveyance line for conveying a refrigerant for controlling the temperature of the CO reduction unit of the quality device by heat exchange,
A fuel cell system , wherein a heating means for heating the refrigerant is disposed at a refrigerant inlet of the CO reduction unit of the refrigerant conveyance line .

In claim 1,
In the CO reduction part, a plurality of tubes through which the refrigerant passes are provided with fins arranged between the plurality of tubes and a catalyst filled or supported between the fins.
A fuel cell system.

According to claim 1 or claim 2,
The fuel cell system, wherein the heating means is constituted by an added combustion device.

According to claim 1 or claim 2,
The fuel cell system, wherein the heating means is constituted by a heating device that heats the refrigerant using waste heat of the evaporation section.

In claim 3 ,
The fuel cell system, wherein the heating means is constituted by a heat exchanger that heats the refrigerant using heat of the combustion device.

In claim 3 ,
A fuel cell characterized in that the combustion device is configured to control the temperature of the refrigerant heated by the heat exchanger within a predetermined range by controlling the amount of fuel and air for combustion. system.