JP5041666B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、炭化水素系の燃料を改質した水素ガスを生成する水素生成装置を用いた燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation system using a hydrogen generator that generates hydrogen gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel.
燃料電池発電装置は発電効率が高いことに加えて、発電時に発生した熱が有効に利用できるため、家庭用のコージェネレーションヘの応用が期待されている。 In addition to high power generation efficiency, fuel cell power generators can effectively use heat generated during power generation, and are expected to be applied to household cogeneration.
家庭用途においては、装置の頻繁な起動停止への対応、装置の耐久性およびコスト低減の観点から、燃料電池発電装置は比較的低温で作動させることが望ましい。そこで、発電都として高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池の開発が進められている。 In home use, it is desirable to operate the fuel cell power generator at a relatively low temperature from the viewpoint of responding to frequent start / stop of the apparatus, durability of the apparatus, and cost reduction. Therefore, development of a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane as a power generation city is underway.
燃料電池の多くは水素を燃料として発電する。現状ではその燃料となる水素ガスインフラが整っていないため、発電装置設置場所において、天然ガス、LPG等の炭化水素成分、メタノール等のアルコール、あるいはナフサ成分等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と、水とを反応させて水素を含む改質ガスを生成するための水素生成装置が併用される。また、生成した改質ガス中には、水素の他、原料に由来する二酸化炭素および一酸化炭素(以下COと示す)が副成分として含まれる。現在開発が進められている固体高分子型燃料電池は100℃以下の低温で作動するため、電池電極触媒の活性を維持するため、改質ガスに含有するCOをできるだけ低減(一般的には10〜50ppm以下)させる必要がある。そこで、水素生成装置では、原料および水から水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、改質ガス中のCOと水をシフト反応させる一酸化炭素変成部、およびCOを選択的に酸化反応させる一酸化炭素選択酸化部より構成される。 Many fuel cells generate electricity using hydrogen as fuel. At present, the hydrogen gas infrastructure that serves as the fuel is not in place, so at the place where the power generation equipment is installed, organic gas composed of at least carbon and hydrogen such as natural gas, hydrocarbon components such as LPG, alcohol such as methanol, or naphtha components A hydrogen generator for generating a reformed gas containing hydrogen by reacting a raw material containing a compound with water is used in combination. In addition to hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide (hereinafter referred to as CO) derived from the raw materials are included as subcomponents in the generated reformed gas. Since the polymer electrolyte fuel cell currently under development operates at a low temperature of 100 ° C. or lower, CO contained in the reformed gas is reduced as much as possible (generally 10% to maintain the activity of the battery electrode catalyst). ~ 50 ppm or less). Therefore, in the hydrogen generator, a reforming section that generates a hydrogen-rich reformed gas from raw material and water, a carbon monoxide shift section that shifts CO and water in the reformed gas, and CO are selectively oxidized. It consists of a carbon monoxide selective oxidation part to be reacted.
図4に、そのような水素生成装置を有する燃料電池発電システムの構成を示す。図4において、原料供給部21は改質反応させる原料を供給する手段であり、水供給部22は改質反応に必要な水を供給する手段であり、ともに改質触媒を充填した改質部23に繋がっている。
FIG. 4 shows the configuration of a fuel cell power generation system having such a hydrogen generator. In FIG. 4, a raw
改質部23には、燃料供給部25から供給された燃料と、燃焼空気供給部26から供給された空気とにより燃焼させ、改質部23を加熱するバーナ24が設置されている。また、改質部23から送出される改質ガスは変成触媒を充填した一酸化炭素変成部27に送られる。
The
一酸化炭素変成部27において変成反応を経た改質ガスは、CO酸化触媒を充填しCO酸化空気供給部226を備えた一酸化炭素選択酸化部28に送られ、CO濃度の低い水素リッチな生成ガスとして一酸化炭素選択酸化部28から燃料電池29に送られる。
The reformed gas that has undergone the shift reaction in the carbon
ところで、改質部23、一酸化炭素変成部27、および一酸化炭素選択酸化部28にはそれぞれの反応に適した触媒体が充填されており、最も装置効率が高くかつ安定に動作する所定の温度に制御される。使用する触媒や使用条件によって最適温度は異なるが、改質部23は500℃〜700℃、一酸化炭素変成部27は150℃〜400℃、一酸化炭素選択酸化部28は100℃〜200℃で作動させる。改質部23から一酸化炭素変成部27および一酸化炭素選択酸化部28へは高温の改質ガスが導入されるが、上記の様に、改質部23の最適温度に比して、一酸化炭素変成部27および一酸化炭素選択酸化部28の最適温度は低いため、適温に保つ必要がある。
By the way, the reforming
そこで、一酸化炭素変成部27の温度を検知する変成温度検知部210と、一酸化炭素変成部27の周囲を空気冷却できるように変成冷却ファン212を有する変成冷却部211と、変成温度検知部210と変成冷却ファン212とが繋がる変成冷却ファン制御部216とを設置し、変成温度検知部210からの信号により変成冷却ファン制御部216で変成冷却ファン212を制御し、一酸化炭素変成部27が適温になるように調整する。
Therefore, a conversion
また、一酸化炭素選択酸化部28の温度を検知するCO酸化温度検知部213と、一酸化炭素選択酸化部28の周囲を空気冷却できるようにCO酸化冷却ファン215を有するCO酸化冷却部214と、CO酸化温度検知部213とCO酸化冷却ファン215とが繋がるCO酸化冷却ファン制御部217を設置し、CO酸化温度検知部213からの信号によりCO酸化冷却ファン制御部217でCO酸化冷却ファン215を制御し、一酸化炭素選択酸化部28が適温になるように調整してCO濃度の低減を実現している。
Also, a CO oxidation
このように、一酸化炭素変成部27や一酸化炭素選択酸化部28の温度調整で使用した各冷却ファンからの空気を機器外に排出している。この空気は変成冷却部211やCO酸化冷却部214での熱交換により、高温状態となっている。
Thus, the air from each cooling fan used for the temperature adjustment of the carbon
しかしながら、その空気を機器外に排出することは機器で生じた排熱を外部に放熱することになるため、熱が有効に利用されていないことになり、燃料電池発電システムの熱利用効率が低いものとなってしまう。このような不具合を解消するために、排熱を利用する技術として、以下のようなものが提案されている。 However, exhausting the air outside the device will dissipate the exhaust heat generated by the device to the outside, so that the heat is not effectively used, and the heat utilization efficiency of the fuel cell power generation system is low It becomes a thing. In order to solve such a problem, the following technologies have been proposed as technologies that use exhaust heat.
図5は、一酸化炭素選択酸化部28や一酸化炭素変成部27の冷却の際に生ずる排熱を改質部23の効率を向上させるために再利用する構成例である(例えば、特許文献1を参照)。図5において、図4と同一または相当部には、同一符号を付し、詳細な説明は省略する。また、冷却空気ダクト221は、変成冷却ファン212で送られ変成冷却部211を通った空気と、CO酸化冷却ファン215で送られCO酸化冷却部214を通った空気を燃焼空気ファン218の吸気口近傍に導くための手段である。
FIG. 5 is a configuration example in which exhaust heat generated during cooling of the carbon monoxide
このような構成としたことにより、変成冷却ファン212やCO酸化冷却ファン215により供給され、変成冷却部211やCO酸化冷却部214を通過した、排熱を担持した空気は、燃焼空気ファン218の吸い込み口近傍に排出される。燃焼空気ファン218はこの温度上昇した空気を吸い込みバーナ24に供給する。バーナ24では燃焼して火炎を形成するが、燃焼空気の温度が上昇した分だけ、火炎温度が上昇し、バーナ24による改質部23の加熱量が増加し、改質部23の加熱をより効率的に行うことができる。これにより、排熱が危機の外に逃げることによる熱のロスをなくすことができ、冷却部の熱をより有効に利用することができる。
しかしながら、図5に示す従来の燃料電池発電システムにおいては、以下のような課題があった。すなわち、バーナ24の動作においては、燃焼空気温度が変わると燃焼空気の体積は変化するため、燃焼空気ファン218で同じ回転数でも供給される一定温度換算の空気量は変化する。そのため、燃焼ファン制御部220において、燃料供給部25からの信号による燃料供給量からバーナ24での燃焼に必要な空気量と、燃焼空気温度検知部219からの燃焼空気温度とから、必要な燃焼空気ファン218の回転数を算出して制御するようにしている。
However, the conventional fuel cell power generation system shown in FIG. 5 has the following problems. That is, in the operation of the
このとき、燃焼空気ファン218が回収する空気は、実際には外気と、一酸化炭素選択酸化部28および一酸化炭素変成部27からの排熱を担持した、変成冷却ファン212およびCO酸化冷却ファン215からの排気との混合気となっている。一酸化炭素選択酸化部28および一酸化炭素変成部27の動作状態によって、各冷却ファンからの排気の温度、体積は変動するので、上記混合気の温度、体積もリアルタイムで変動することになる。したがって、燃焼ファン制御部220は、この変動に追従して行うこととなり、有効となる回転数の算出が困難となる恐れがあり、バーナ24を効率よく動作させることは実際には難しい。また、燃焼空気温度検知部219の設置、およびそれに対応した燃焼ファン制御部220の構成が、システム全体を高コストなものとしてしまっていた。
At this time, the air recovered by the
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、より簡易な構成で、熱回収率に優れ、かつ、確実に動作効率の向上を図ることができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and provides a fuel cell power generation system that has a simpler configuration, has an excellent heat recovery rate, and can reliably improve operation efficiency. With the goal.
上記の目的を達成するために、第1の本発明は、原料と水とを反応させて、少なくとも水素と一酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質部、前記改質部より排出される前記改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素選択酸化部、および前記一酸化炭素選択酸化部を空冷する冷却手段を少なくとも有する水素生成装置と、
前記水素生成装置の上方に設けられ、前記一酸化炭素選択酸化部から排出される水素リッチガスを用いて発電する燃料電池と、
前記水素生成装置と前記燃料電池との間であって、少なくとも前記水素生成装置の上方に配置され、前記冷却手段から排出される空気の流れが衝突する衝突面を有する板とを備え、
前記板の周囲には、前記水素生成装置と前記燃料電池との間を連通させる空間がある、燃料電池発電システムである。
In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention comprises a reforming unit that reacts a raw material with water to generate a reformed gas containing at least hydrogen and carbon monoxide. A hydrogen generator having at least a carbon monoxide selective oxidation unit for removing carbon monoxide in the reformed gas discharged, and a cooling means for air-cooling the carbon monoxide selective oxidation unit;
A fuel cell that is provided above the hydrogen generator and generates power using a hydrogen-rich gas discharged from the carbon monoxide selective oxidation unit;
A plate having a collision surface between the hydrogen generation device and the fuel cell and disposed at least above the hydrogen generation device, on which a flow of air discharged from the cooling means collides ,
In the periphery of the plate, there is a fuel cell power generation system in which there is a space for communication between the hydrogen generator and the fuel cell .
また、第2の本発明は、前記一酸化炭素選択酸化部と前記燃料電池とを接続し、前記水素リッチガスが通過する水素リッチガス導入配管は、前記板の端部の近傍を通るようにして設けられている、第1の本発明の燃料電池発電システムである。 The second aspect of the present invention provides the hydrogen-rich gas introduction pipe that connects the carbon monoxide selective oxidation unit and the fuel cell, and through which the hydrogen-rich gas passes, in the vicinity of the end of the plate. The fuel cell power generation system according to the first aspect of the present invention.
また、第3の本発明は、前記冷却手段の、前記空気を排出する排出口は、前記改質部に近い側に設けられている、第1または第2の本発明の燃料電池発電システムである。 The third aspect of the present invention is the fuel cell power generation system according to the first or second aspect of the present invention, wherein the discharge port for discharging the air of the cooling means is provided on the side close to the reforming unit. is there.
また、第4の本発明は、前記冷却手段の、前記空気を排出する排出口は、前記水素リッチガス導入配管が接続している前記一酸化炭素選択酸化部の外周部分とは反対側の外周部分の位置に設けられている、第2の本発明の燃料電池発電システムである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an outer peripheral portion on the opposite side of the outer peripheral portion of the carbon monoxide selective oxidation portion to which the discharge port for discharging the air of the cooling means is connected to the hydrogen rich gas introduction pipe. It is the fuel cell power generation system of the 2nd this invention provided in the position of this.
また、第5の本発明は、前記水素生成装置は、前記改質部と前記一酸化炭素選択酸化部との間に設けられ、前記改質部より排出される前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により除去する一酸化炭素変成部をさらに備え、
前記改質部と前記一酸化炭素変成部とを接続し、前記改質ガスが通過する改質ガス通過配管が、前記板の近傍に配置されている、第1の本発明の燃料電池発電システムである。
In the fifth aspect of the present invention, the hydrogen generator is provided between the reforming unit and the carbon monoxide selective oxidation unit, and the monoxide in the reformed gas discharged from the reforming unit. A carbon monoxide shifter for removing carbon by a shift reaction;
The fuel cell power generation system according to the first aspect of the present invention, wherein a reformed gas passage pipe that connects the reformer and the carbon monoxide shifter and through which the reformed gas passes is disposed in the vicinity of the plate. It is.
また、第6の本発明は、前記改質部は、前記水をその内部で蒸発させるための蒸発部を有し、
前記蒸発部は、前記改質部内において、前記板に近接するように配置されている、第1の本発明の燃料電池発電システムである。
Further, in the sixth aspect of the present invention, the reforming unit has an evaporation unit for evaporating the water therein,
The evaporation unit is the fuel cell power generation system according to the first aspect of the present invention, which is disposed in the reforming unit so as to be close to the plate.
また、第7の本発明は、前記水素生成装置の下方に設けられ、前記板と、前記水素生成装置を介して対向する底板を備え、
前記板、前記底板および前記水素生成装置は一体化して、前記燃料電池発電システムから脱着可能なユニットを形成している、第1の本発明の燃料電池発電システムである。
The seventh aspect of the present invention includes a bottom plate that is provided below the hydrogen generator, and that faces the plate through the hydrogen generator,
In the fuel cell power generation system according to the first aspect of the present invention, the plate, the bottom plate, and the hydrogen generator are integrated to form a unit that is removable from the fuel cell power generation system.
以上のような本発明によれば、簡易な構成で、熱回収率に優れ、かつ、確実に動作の向上を図ることができる燃料電池発電システムを提供することが可能となる。 According to the present invention as described above, it is possible to provide a fuel cell power generation system that has a simple configuration, has an excellent heat recovery rate, and can reliably improve the operation.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池発電システムの構成図である。図1に示すように、原料供給部1は改質反応させる原料を供給する手段であり、水供給部2は改質反応に必要な水を供給する手段であり、ともに改質触媒を充填した改質部3に繋がっている。改質部3は改質反応により水素および一酸化炭素(以下CO)を含む改質ガスを生成する手段であって、その底面には、燃料供給部4から供給された燃料と、燃焼空気供給部5から供給された空気とにより燃焼させ、改質部3を加熱するバーナ6が設置されている。また、改質部3の内部には水供給部2から供給された水を蒸発させるための蒸発部7が設けられている。なお、図1中においては蒸発部7を示すために、改質部3を模式的な透過図として示している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the raw material supply unit 1 is a means for supplying a raw material to be reformed, and the
一酸化炭素変成部8は、改質部3で生成された改質ガスから変成反応によってCOを除去する手段であり、改質部3と改質ガス通過配管9により接続されている。
The
一酸化炭素選択酸化部10は、CO酸化触媒を充填しCO酸化空気供給部11を有し、酸化反応によって一酸化炭素変成部8から排出された改質ガスから、さらにCOを除去する手段である。一酸化炭素選択酸化部10から排出された改質ガスは、CO濃度が十分低下した水素リッチな生成ガスとして燃料電池12に送られる。燃料電池12と一酸化炭素選択酸化部10とは水素リッチガス導入配管13により接続されている。
The carbon monoxide
また、燃料電池12から排出されたオフガスをバーナ6へ帰還させるためのオフガス帰還配管14が、燃料電池12とバーナ6とを接続するように設けられている。なお、オフガス帰還配管14は燃料供給部4と合流している。
Further, an
さらに、一酸化炭素選択酸化部10の最適温度を保つための冷却手段が設けられており、この冷却手段は、外気を導入する冷却ファン15、冷却ファン15が吸入した外気を一酸化炭素選択酸化部10の周囲に流れるようにする冷却筒16、および冷却筒16から排出される空気を外部へ放出するための排出口17から構成されている。なお、冷却ファン15は従来例のように、一酸化炭素選択酸化部の温度を検知することにより制御されるが、そのための構成は図示を省略した。なお冷却ファンの制御方法はON−OFF制御、PID制御等、ファンの種類によって最適な方法を選択すれば良い。
Further, cooling means for maintaining the optimum temperature of the carbon monoxide
図1に示すように、本実施の形態1の燃料電池発電システムにおいては、改質部3、一酸化炭素変成部8、一酸化炭素選択酸化部10およびそれらを接続する各配管は水素生成装置を構成し、燃料電池12はこの水素生成装置の上部に位置するようになっている。水素生成装置と燃料電池12とは、筐体18によってパッケージされる。筐体18はその底部が開口しており、筐体18の内部と外部とは連通している。冷却ファン15等、水素生成装置において外気の流入が必要な各手段は、筐体18の底部を介して、外気を取り入れるようになっている。なお、図中において、筐体18の外部に示す太い矢印は、燃料電池発電システムの設置状態の天地関係を示す。また、筐体18内に示す細い矢印は、燃料電池発電システムが動作しているときの、原料、改質ガス等の流れの方向を示す。
As shown in FIG. 1, in the fuel cell power generation system of the first embodiment, the reforming
本実施の形態1の燃料電池発電システムにおいては、水素生成装置と燃料電池12との間に板19を設けたことを特徴とする。図2は、燃料電池発電システムの模式的上面図である。図2において、図1と同一または相当部には、同一符号を付し、詳細な説明は省略する。また、簡単のために必要な構成のみを図示した。
The fuel cell power generation system of Embodiment 1 is characterized in that a
以下、図1および図2を用いてさらに説明する。板19はアルミ、鉄板、非鉄金属等の熱伝導性を有する材料から構成され、筐体18内において、燃料電池12が配置されている空間と、水素生成装置が配置されている空間とを隔絶するように配置される。ただし、板19は、実質上水素生成装置の直上方にのみ配置されるようにすればよい。すなわち、図2に示すように、板19の面積は筐体18の上面の面積より小さく、改質部3、一酸化炭素変成部8および一酸化炭素選択酸化部10の各容器の上部を覆う程度の大きさとなっている。これにより、燃料電池12が配置されている空間と水素生成装置が配置されている空間とは連通し、燃料電池発電システム内部全体が外部との連通を維持できる。
Hereinafter, further description will be given with reference to FIGS. 1 and 2. The
また、水素リッチガス導入配管13の両端はいずれも板19の面内に位置するように配置されている。したがって、水素リッチガス導入配管13は、板19の端部を回り込み、折り返すようにして燃料電池12と一酸化炭素選択酸化部10とを接続している。
Further, both ends of the hydrogen rich
さらに、冷却手段を構成する排出口17は、板19の主面と対向するように開口されている。
Further, the
以上のような構成を有する本発明の実施の形態1の燃料電池発電システムの動作は、基本的には従来例と同様である。すなわち、燃料供給部4から供給された燃料と、燃焼空気供給部5から供給された空気とによりバーナ6が改質部3を加熱し、原料供給部1から原料が、また水供給部2から水がそれぞれ改質部3に供給され、改質器は水素及びCOを含んだ改質ガスを生成する。改質部3から送出される改質ガスは、改質ガス通過配管9をへて一酸化炭素変成部8に送られる。改質ガス中のCO濃度は、一酸化炭素変成部8では変成反応により低減され、さらに一酸化炭素選択酸化部28では、酸化反応により低減される。一酸化炭素選択酸化部10から、CO濃度の低い水素リッチガスが燃料ガスとして燃料電池12に導入される。燃料電池12は水素リッチガス及び酸化ガス(供給元は図示省略)により発電を行い、排出されたオフガスは、オフガス帰還配管14を通過してバーナ6へ帰還し、燃焼用ガスとして再利用される。
The operation of the fuel cell power generation system according to Embodiment 1 of the present invention having the above-described configuration is basically the same as that of the conventional example. That is, the fuel supplied from the
上記の動作において、従来例と同様、一酸化炭素選択酸化部10を改質部3より低い最適温度で動作させるために、冷却ファン15を動作させてシステムの底部から導入した外気を冷却筒16内に通過させることで、一酸化炭素選択酸化部10を空冷する。
In the above operation, as in the conventional example, in order to operate the carbon monoxide
このとき、一酸化炭素選択酸化部10から生じた排熱(80℃〜100℃)を担持した空気は排出口17から排出されるが、排出口17は板19の主面と対向するように設けられているため、排出された空気の流れは板19の主面を衝突面として衝突し、これに沿って端部まで移動した後、燃料電池12が配置された空間内に放散する。
At this time, the air carrying the exhaust heat (80 ° C. to 100 ° C.) generated from the carbon monoxide
これにより、排熱を担持した空気は水素生成装置の上部にて高温の空気層を形成することになる。図1に示すように、改質部3、一酸化炭素変成部8の天蓋部分はこの空気層に曝されることになる。さらに、改質部3と一酸化炭素変成部8とを接続する改質ガス通過配管9は、両端の接続部が改質部3および一酸化炭素変成部8の上面に配置されているため、同じように高温空気層に曝されることとなる。これは、以下のような効果を生ずる。すなわち、改質部3等の水素生成装置を構成する各部は、内部保温および外部への放熱を防ぐためにその外壁を断熱材で覆った構造を有しているが、それでも外部との温度差が大きいため、外部への放熱が生じてしまう。
Thereby, the air carrying the exhaust heat forms a high-temperature air layer in the upper part of the hydrogen generator. As shown in FIG. 1, the canopy portions of the reforming
これに対し、本実施の形態によれば、冷却手段からの排熱を利用して外気の温度自体を上げることによって、水素生成装置の配置される雰囲気を高温にできる。これにより、改質部3等の内部と外部との温度差をより小さくして、外部への放熱を防ぐことができる。
On the other hand, according to the present embodiment, the atmosphere in which the hydrogen generator is arranged can be raised to a high temperature by raising the temperature of the outside air itself using the exhaust heat from the cooling means. Thereby, the temperature difference between the inside and the outside of the reforming
また、同じ放熱量であれば断熱材を少なく出来るため、装置をよりコンパクトにすることができる。 Moreover, since the heat insulating material can be reduced if the heat radiation amount is the same, the apparatus can be made more compact.
さらに、板19自体も熱伝導性を有するため、排出口17から排出された空気に曝されて加熱されることで放射熱が生じる。これによる加熱効果も同時に得ることができる。
Furthermore, since the
特に、改質ガス通過配管9は改質部3や一酸化炭素変成部8と比して体積が小さいため、断熱材を多く利用することができなかったため、必要以上の放熱が生じてしまう恐れがあったが、本実施の形態によって、その抑制が可能となる。
In particular, the reformed
また、板19の端部から回り込んで上部に達した空気によって、燃料電池12および水素リッチガス導入配管13も高温の雰囲気に置かれる。この場合、板19への伝熱及び空間への拡散によって、燃料電池12へ達する空気の温度は低下しており、燃料電池12は70℃前後の温度で加熱又は保温されることになる。
In addition, the
燃料電池12は発電時に発熱し、その熱は冷却水を通じて給湯に用いられるため、燃料電池を加熱又は保温することによって、より多くの熱を給湯に用いることができる。また、外部の温度と燃料電池12の作動温度を近づけることにより、燃料電池12内の温度分布を減少し、燃料電池の加湿状態をより均一にできる。
The
また、水素リッチガス導入配管13が高温の雰囲気下に置かれることで、以下のような効果も得られる。すなわち、上述のように、一酸化炭素選択酸化部10内の最適温度は100℃〜200℃であり、排出される水素リッチガスも同程度(100℃)の高温となっているが、燃料電池12へは通常70℃前後で供給される。外部の温度が低い場合、一酸化炭素選択酸化部10内では水蒸気として水素リッチガス内に含まれていた水分が凝結し、水素リッチガス導入配管13で結露する。この結露する水分の量が多くなると、水分が一酸化炭素選択酸化部10へ逆流し、その内部で突沸してしまう。これは一酸化炭素選択酸化部10の動作不良や燃料電池12を通過した後のオフガスを利用するバーナ6の燃焼異常を招く恐れがあった。これに対し、本実施の形態は、水素リッチガス導入配管13の周囲を高温の雰囲気に置くことにより、水素リッチガス導入配管13内の温度を高めて、水素リッチガスの通過時に内部で生じる結露を抑制することが可能となる。また、一酸化炭素選択酸化部10の温度が高い場合でも、適温(燃料電池12の作動温度付近)に保たれるように、図1,図2に示すように、板19を貫通せずに迂回して長く設けることがより望ましい。
Moreover, the following effects are also obtained by placing the hydrogen rich
さらに、板19は、水素生成装置の直上方に平板状部材として設けられていることから、排出口17から放出された空気の流れは図2に示す板19の主面に沿って面状に拡散する。これにより、筐体18内における排熱の温度分布を均一に近づけて、局所的な過熱を防ぐことができる。
Furthermore, since the
また、蒸発部7は、図1に示すように改質部3内でその天井近傍に設けられるようにしているが、この配置も板19に近接して設けることが望ましい。これにより、板19からの放射熱を利用して、蒸発部7の水分を予熱することが可能となる。改質部3上部の保温効果と相まって、改質部3の内部をより高温で維持できるので、バーナ6の燃焼に用いるエネルギー(燃料供給部4からの燃料量、燃焼空気供給部5の動力等)を低減できる効果がある。
Further, as shown in FIG. 1, the
また、冷却手段においては、排出口17は改質部3に近い側に設けている。これにより、もっとも加熱、保温の対象としている改質部3側へ、排出される空気を効率よく行き渡らせることができる。また排出口17が設けられている冷却筒16および一酸化炭素選択酸化部10は同軸上に配置された二重円筒構造を有しているが、冷却筒16における排出口17の配置と、一酸化炭素選択酸化部10における水素リッチガス導入配管13の接続位置とは点対称とし、少なくとも排出口17と上記接続部とが近接しないように配置する。これにより、水素リッチガス導入配管13が、排出空気の直接加熱によって過熱され、必要以上に高温となった水素リッチガスが燃料電池12へ導入されることを防ぐ。
In the cooling means, the
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムによれば、筐体18内の上部に燃料電池12を、下部に改質部3等からなる水素生成装置をそれぞれ配置し、両者の間に板19を設けることにより、一酸化炭素選択酸化部10の冷却手段からの排出空気により改質部3を中心とする水素生成装置、燃料電池12および水素リッチガス導入配管13を加熱、保温することにより、これら各部の温度条件を好適化させ、システム全体の動作効率を高めることができる。特に、排出空気が形成する高温雰囲気および板19からの放射熱により得られる温度変化は比較的静的なものとして得られるため、改質部3、一酸化炭素変成部8、一酸化炭素選択酸化部10の温度状態に基づくバーナ6の制御条件、冷却ファン15その他のファン、加熱手段等の制御のために、排出空気の温度変化を考慮した特別のセンサを設置したり、新たなアルゴリズムを設定する必要がなく、結果として低コストなシステムの構築を実現できる。また、燃焼空気供給部5、冷却ファン15、CO酸化空気供給部11等はいずれも筐体18の下方に設けたため、水素生成装置や燃料電池の発熱の影響を受けずに、恒温状態の外気を取り入れることができ、システムに安定した動作を行わせることも可能である。
As described above, according to the fuel cell power generation system of the present embodiment, the
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2における燃料電池発電システムの構成図である。図3において、図1と同一または相当部には、同一符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施の形態の燃料電池発電システムは、水素生成装置を構成する原料供給部1、水供給部2、改質部3、燃料供給部4、燃焼空気供給部5、バーナ6、一酸化炭素選択酸化部10およびその冷却手段、一酸化炭素変成部8、およびこれらを接続する各配管の下方に、板19と対向するように配置された底板20と、板19と底板20とを接続する接続部材30を備えた点が異なる。板19、接続部材30および底板20は、水素生成装置を構成する各部を収納するための籠状部材として機能し、水素生成装置、板19、接続部材30および底板20は、一体的に固定されたユニット31を構成している。なお、図示は省略したが、底板20は筐体18内の壁面と接続しておればよく、燃料電池発電システムが設置されている状態で、設置場所と接触する必要はない。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a configuration diagram of the fuel cell power generation system according to
このような構成を有する本実施の形態2の燃料電池発電システムの動作および効果は、実施の形態1と同様であるが、さらに、燃料電池12との接続に必要な水素リッチガス導入配管13およびオフガス帰還配管14との接続を解除することで、ユニット31全体を筐体18から取り外すことができる。これにより、燃料電池発電システムにおける水素生成装置のみの可搬性を高めて、メンテナンス、交換等を容易に行うことができる。
The operation and effect of the fuel cell power generation system of the second embodiment having such a configuration is the same as that of the first embodiment, but further, the hydrogen rich
なお、上記の各実施の形態において、改質部3は本発明の改質部に相当し、一酸化炭素変成部8は本発明の一酸化炭素変成部に相当し、一酸化炭素選択酸化部10は本発明の一酸化炭素選択酸化部に相当し、燃料電池12は本発明の燃料電池に相当し、蒸発部7は本発明の蒸発部に相当する。また、冷却ファン15、冷却筒16、および排出口17から構成される冷却手段は、本発明の空冷による冷却を行う冷却手段に相当する。また板19は本発明の板に相当する。
In each of the above embodiments, the reforming
しかしながら、本発明は、上記の各実施の形態に限定されるものではない。例えば、実施の形態1において、水素生成装置は改質部3、一酸化炭素変成部8および一酸化炭素選択酸化部10を主要部として示したが、本発明の水素生成装置は、少なくとも改質部3と、一酸化炭素選択酸化部10およびその冷却手段とを備えておればよく、一酸化炭素変成部8は省略して、改質部3と一酸化炭素選択酸化部10とを直結した構成としてもよい。また、一酸化炭素変成部8は、冷却手段を持たないものとして説明したが、一酸化炭素選択酸化部10と同様の構成の、空冷による冷却手段を設けてもよい。この場合も吸気用のファンは筐体18の下方に配置し、また、排出口からの排出空気は板19に衝突するような構成とすることが望ましい。
However, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the first embodiment, the hydrogen generator is shown with the
また、実施の形態1において、図1に示すように、本発明の衝突面として、排出口17から排出される空気の流れが衝突する板19の主面は、排出口17と対向しており、空気の流れは実質上直角に衝突するものとしたが、排出口17の開口面を板19に対して斜交させて、排出空気の流れを板19の主面に対して斜めに衝突させるようにしてもよい。具体的には、配管を斜めにする、配管の切り口を斜めにする、等によって、排出口17を形成すればよい。
In the first embodiment, as shown in FIG. 1, as the collision surface of the present invention, the main surface of the
また、板19は、図2に示すように、改質部3、一酸化炭素変成部8および一酸化炭素選択酸化部10の上面を覆う程度の大きさであって、筐体18の内壁との間に間隙を有する矩形上の平板として説明を行ったが、板は、本発明の水素生成装置を構成できる各手段の実質上直上方に設けられ、燃料電池が配置された空間と水素生成装置が配置された空間とを連通可能なように隔絶できるものであればよく、その材質、形状、大きさによって限定されるものではない。また、空気の流れを調整するため、一部に貫通孔を備えた構成であってもよいし、表面に保温力を高めるためや空気流を整流するためのフィンを備えた構成としてもよい。波板で構成されていてもよい。セラミック等の非金属材料を用いてもよいし、熱伝導性の低い材料を用いてもよい。要するに、冷却手段から排出される空気を整流、拡散できるような構成であればよい。
Further, as shown in FIG. 2, the
また、実施の形態2においては、図3に示すように、燃料電池発電システムにおいて、ユニット31は、燃料電池12以外の各部を全て含むものとして示したが、本発明の水素生成装置は少なくとも改質部3、一酸化炭素選択酸化部10、冷却ファン15、冷却筒16、および排出口17から構成されていればよいから、他の部分、すなわち原料供給部1、水供給部2等はユニット31から除外して、筐体18側に固定した構成であってもよい。
In the second embodiment, as shown in FIG. 3, in the fuel cell power generation system, the
本発明は、簡易な構成で、熱回収率に優れ、かつ、確実に動作効率の向上を図ることができる効果を有し、特に燃料電池発電システムとして有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention has a simple configuration, an excellent heat recovery rate, and an effect that can surely improve the operation efficiency, and is particularly useful as a fuel cell power generation system.
1 原料供給部
2 水供給部
3 改質部
4 燃料供給部
5 燃焼空気供給部
6 バーナ
7 蒸発部
8 一酸化炭素変成部
9 改質ガス通過配管
10 一酸化炭素選択酸化部
11 CO酸化空気供給部
12 燃料電池
13 水素リッチガス導入配管
14 オフガス帰還配管
15 冷却ファン
16 冷却筒
17 排出口
18 筐体
19 板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw
Claims (7)
前記水素生成装置の上方に設けられ、前記一酸化炭素選択酸化部から排出される水素リッチガスを用いて発電する燃料電池と、
前記水素生成装置と前記燃料電池との間であって、少なくとも前記水素生成装置の上方に配置され、前記冷却手段から排出される空気の流れが衝突する衝突面を有する板とを備え、
前記板の周囲には、前記水素生成装置と前記燃料電池との間を連通させる空間がある、燃料電池発電システム。 A reforming unit that reacts a raw material with water to generate a reformed gas containing at least hydrogen and carbon monoxide, and that removes carbon monoxide in the reformed gas discharged from the reforming unit. A hydrogen generator having at least a carbon oxide selective oxidation unit and a cooling means for air-cooling the carbon monoxide selective oxidation unit;
A fuel cell that is provided above the hydrogen generator and generates power using a hydrogen-rich gas discharged from the carbon monoxide selective oxidation unit;
A plate having a collision surface between the hydrogen generation device and the fuel cell and disposed at least above the hydrogen generation device, on which a flow of air discharged from the cooling means collides ,
A fuel cell power generation system having a space around the plate for communicating between the hydrogen generator and the fuel cell .
前記改質部と前記一酸化炭素変成部とを接続し、前記改質ガスが通過する改質ガス通過配管が、前記板の近傍に配置されている、請求項1に記載の燃料電池発電システム。 The hydrogen generator is provided between the reforming unit and the carbon monoxide selective oxidation unit, and removes carbon monoxide in the reformed gas discharged from the reforming unit by a shift reaction. A carbon metamorphosis unit,
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein a reformed gas passage pipe that connects the reformer and the carbon monoxide shifter and through which the reformed gas passes is disposed in the vicinity of the plate. .
前記蒸発部は、前記改質部内において、前記板に近接するように配置されている、請求項1に記載の燃料電池発電システム。 The reforming unit has an evaporation unit for evaporating the water inside,
2. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the evaporation unit is disposed in the reforming unit so as to be close to the plate.
前記板、前記底板および前記水素生成装置は一体化して、前記燃料電池発電システムから脱着可能なユニットを形成している、請求項1に記載の燃料電池発電システム。 Provided below the hydrogen generator, comprising a bottom plate facing the plate and the hydrogen generator;
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the plate, the bottom plate, and the hydrogen generator are integrated to form a unit that is detachable from the fuel cell power generation system.
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