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JPH0354433B2 - - Google Patents
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JPH0354433B2 - - Google Patents

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JPH0354433B2
JPH0354433B2 JP57214244A JP21424482A JPH0354433B2 JP H0354433 B2 JPH0354433 B2 JP H0354433B2 JP 57214244 A JP57214244 A JP 57214244A JP 21424482 A JP21424482 A JP 21424482A JP H0354433 B2 JPH0354433 B2 JP H0354433B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、燃料電池運転時に低温シフトコン
バータと燃料電池とを保護する機構を設けた燃料
電池発電システムに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a fuel cell power generation system provided with a mechanism for protecting a low temperature shift converter and a fuel cell during fuel cell operation.

〔発明の技術的背景〕[Technical background of the invention]

第1図は従来の燃料電池発電システムの構成図
を示したものである。
FIG. 1 shows a configuration diagram of a conventional fuel cell power generation system.

燃料電池1には燃料ガスとして水素が供給され
るが、この燃料ガスは改質器2および高温シフト
コンバータ4、低温シフトコンバータ4′を介し
て供給されるようになつている。改質器2には燃
料ガスと水蒸気とを主成分とする混合ガスAが供
給され、ここで水素と一酸化炭素等を含むガスB
へと改質されて高温シフトコンバータ4へ送られ
る。高温シフトコンバータ4では、改質ガスB中
に含まれる一酸化炭素の大部分を二酸化炭素の水
素とに変換して、この改質ガスBよりもさらに水
素の含有量の多い水素リツチガスB′として低温
シフトコンバータ4′へ送る。この低温シフトコ
ンバータ4′では、水素リツチガスB′中の残存一
酸化炭素が二酸化炭素と水素とに変換されるた
め、残留一酸化炭素の濃度は数パーセント以下に
低減する。このようにして低温シフトコンバータ
4′を出た燃料ガスCは、燃料電池1へと供給さ
れ、ここで別途経路Xから供給された空気と接触
して発電がおこなわれる。空気は経路Xから燃料
電池1を経て経路Yへと排出される。
Hydrogen is supplied to the fuel cell 1 as a fuel gas, and this fuel gas is supplied via a reformer 2, a high temperature shift converter 4, and a low temperature shift converter 4'. A mixed gas A containing fuel gas and water vapor as main components is supplied to the reformer 2, and a gas B containing hydrogen, carbon monoxide, etc. is supplied to the reformer 2.
and is sent to the high temperature shift converter 4. The high-temperature shift converter 4 converts most of the carbon monoxide contained in the reformed gas B into carbon dioxide and hydrogen, and converts the carbon monoxide contained in the reformed gas B into hydrogen-rich gas B', which has an even higher hydrogen content than the reformed gas B. It is sent to the low temperature shift converter 4'. In this low-temperature shift converter 4', residual carbon monoxide in the hydrogen-rich gas B' is converted into carbon dioxide and hydrogen, so that the concentration of residual carbon monoxide is reduced to several percent or less. The fuel gas C leaving the low-temperature shift converter 4' in this manner is supplied to the fuel cell 1, where it comes into contact with air separately supplied from route X to generate electricity. Air is discharged from path X through fuel cell 1 to path Y.

一方、発電に使われた燃料ガスは燃料電池1か
ら排出されて、経路Dを通つて改質器バーナ3へ
と供給され、ここで別途経路Zから供給された空
気と混合されて燃焼し、前記混合ガスAの改質に
必要な熱を改質器2へと供給する。
On the other hand, the fuel gas used for power generation is discharged from the fuel cell 1 and supplied to the reformer burner 3 through path D, where it is mixed with air separately supplied from path Z and combusted. Heat necessary for reforming the mixed gas A is supplied to the reformer 2.

なお低温シフトコンバータ4′から排出される
燃料ガスC中の一酸化炭素濃度を数パーセント以
下に下げる理由は、一酸化炭素が下流にある燃料
電池1の電極触媒を被毒させ、触媒活性を低下さ
せるのを防ぐためである。高温シフトコンバータ
4と低温シフトコンバータ4′内では共に、CO+
H2OCO2+H2の反応がおこり、一酸化炭素と
水蒸気とから二酸化炭素と水素とが生成されて、
その際反応熱が発生する。
The reason for reducing the carbon monoxide concentration in the fuel gas C discharged from the low temperature shift converter 4' to below several percent is that carbon monoxide poisons the downstream electrode catalyst of the fuel cell 1, reducing the catalyst activity. This is to prevent this from happening. In both the high temperature shift converter 4 and the low temperature shift converter 4', CO+
A reaction of H 2 OCO 2 + H 2 occurs, and carbon dioxide and hydrogen are generated from carbon monoxide and water vapor,
At this time, reaction heat is generated.

また高温シフトコンバータ4′と低温シフトコ
ンバータ4′には上記の反応を速やかにおこなわ
せるための反応触媒が充填されており、高温シフ
トコンバータ4には活性は低いが安価で大量処理
に適した触媒が、低温シフトコンバータ4′には
高価だが活性が高く少量処理に適した触媒がそれ
ぞれ用いられている。
In addition, the high temperature shift converter 4' and the low temperature shift converter 4' are filled with a reaction catalyst to quickly carry out the above reaction, and the high temperature shift converter 4 is filled with a catalyst that has low activity but is inexpensive and suitable for large-scale processing. However, the low-temperature shift converter 4' uses an expensive but highly active catalyst suitable for processing small quantities.

〔背景技術の問題点〕[Problems with background technology]

このような従来の燃料電池発電システムにおい
て、起動、停止および異常時等に改質器2や高温
シフトコンバータ4の反応条件が安定しないた
め、低温シフトコンバータ4′の一酸化炭素処理
能力を超える量の一酸化炭素を含む燃料ガスが低
温シフトコンバータ4′へ供給されると、低温シ
フトコンバータ4′は高活性な触媒を用いている
ため反応が急激に進行し、急な発熱がおきて触媒
に損傷を与えたり、極端な場合には低温シフトコ
ンバータ4′自体を破壊してしまうことがある。
In such a conventional fuel cell power generation system, the reaction conditions of the reformer 2 and the high temperature shift converter 4 are not stable during startup, shutdown, abnormality, etc., so that the amount of carbon monoxide exceeding the carbon monoxide processing capacity of the low temperature shift converter 4' is unstable. When fuel gas containing carbon monoxide is supplied to the low temperature shift converter 4', the reaction proceeds rapidly because the low temperature shift converter 4' uses a highly active catalyst, causing sudden heat generation and damaging the catalyst. This may cause damage or, in extreme cases, destroy the low temperature shift converter 4' itself.

このような事態を防止するために、従来の燃料
電池発電システムでは、改質器2へ供給する燃料
ガスと水蒸気との混合ガスAを減少させて、低温
シフトコンバータ4′へ供給される一酸化炭素の
量を減らすか、低温シフトコンバータ4′自体を
冷却するかの方法しか無かつた。
In order to prevent such a situation, in a conventional fuel cell power generation system, the mixed gas A of fuel gas and water vapor supplied to the reformer 2 is reduced to reduce the amount of monoxide supplied to the low-temperature shift converter 4'. The only options were to reduce the amount of carbon or to cool the low temperature shift converter 4' itself.

このような方法は本質的に低温シフトコンバー
タ4′とこれに続く燃料電池1の保護を十分に果
すことができないという欠点を有していた。
Such a method inherently has the disadvantage that the low-temperature shift converter 4' and the subsequent fuel cell 1 cannot be adequately protected.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

この発明の目的は、低温シフトコンバータや燃
料電池を構成する触媒の性能低下の原因となる一
酸化炭素の濃度が増加した場合でも、低温シフト
コンバータと燃料電池とを有効に保護することの
できる燃料電池発電システムを提供するにある。
An object of the present invention is to provide a fuel that can effectively protect a low temperature shift converter and a fuel cell even when the concentration of carbon monoxide, which causes a decrease in the performance of a catalyst constituting a low temperature shift converter and a fuel cell, increases. Our goal is to provide battery power generation systems.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

この発明では上記目的を達成するために、改質
器を介して供給される燃料ガス中の一酸化炭素の
大部分を二酸化炭素に変換する高温シフトコンバ
ータと、この高温コンバータから供給される前記
燃料ガス中の残存一酸化炭素を二酸化炭素に変換
して許容値以下の一酸化炭素を含む水素リツチガ
スとして燃料電池に供給する低温シフトコンバー
タと、前記高温シフトコンバータのガス排出口と
前記低温シフトコンバータのガス流入口とを結ぶ
連結流路とを有してなる燃料電池発電システムに
おいて、前記残存一酸化炭素の量を検出するガス
分析計と、前記連結流路を分岐するバイパス流路
と、前記連結流路を流れる前記燃料ガスを前記バ
イパス流路に切換えて流すガス切換え手段とを設
け、前記残存一酸化炭素の量が一定の値を超えた
時に前記ガス分析計の出力信号に応答して前記ガ
ス切換え手段を動作させ前記燃料ガスを前記バイ
パス流路に流すようにした事を特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention includes a high-temperature shift converter that converts most of the carbon monoxide in the fuel gas supplied via the reformer into carbon dioxide, and the fuel supplied from the high-temperature converter. a low-temperature shift converter that converts residual carbon monoxide in the gas into carbon dioxide and supplies it to the fuel cell as a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide below a permissible value; a gas discharge port of the high-temperature shift converter; A fuel cell power generation system comprising a connecting flow path connecting the gas inlet, a gas analyzer for detecting the amount of residual carbon monoxide, a bypass flow path branching the connecting flow path, and the connecting flow path. gas switching means for switching the fuel gas flowing through the flow path to the bypass flow path, and when the amount of residual carbon monoxide exceeds a certain value, the gas switching means responds to the output signal of the gas analyzer to The present invention is characterized in that a gas switching means is operated to cause the fuel gas to flow into the bypass flow path.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下この発明を実施例に基づいて詳細に説明す
る。
The present invention will be described in detail below based on examples.

第2図はこの発明の一実施例を示す燃料電池発
電システムの構成図である。なお以下の図面にお
いて第1図に示したと同一部分には同一符号を付
してその説明を省略する。
FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system showing an embodiment of the present invention. In the following drawings, the same parts as shown in FIG. 1 are given the same reference numerals, and their explanations will be omitted.

従来の発電システムでは、高温シフトコンバー
タ4と低温シフトコンバータ4′とを結ぶ連結流
路には何ら付属物を設置していなかつたが、第2
図に示した実施例では、この連結流路を分岐する
バイパス流路Eと、この連結流路内にあつて高温
シフトコンバータ4からの排出ガス中の残存一酸
化炭素の量を検出するガス分析計5を設け、さら
にこの連結流路とバイパス流路Eとを切り換える
ための弁6および弁7を設けている。
In the conventional power generation system, no attachments were installed in the connecting flow path connecting the high temperature shift converter 4 and the low temperature shift converter 4'.
In the embodiment shown in the figure, there is a bypass flow path E that branches this connection flow path, and a gas analyzer that is located in this connection flow path and detects the amount of residual carbon monoxide in the exhaust gas from the high temperature shift converter 4. A total of 5 are provided, and furthermore, a valve 6 and a valve 7 for switching between this connection flow path and the bypass flow path E are provided.

このように構成することにより、高温シフトコ
ンバータ4の下流に設置されたガス分析計5の信
号に応じて、燃料ガスを常時は弁6を開放し、弁
7を閉じることによつて低温シフトコンバータ
4′に供給するが、異常時にはガス分析計5の出
力信号に応答して弁6を閉じ弁7を開いてバイパ
ス流路Eに燃料ガスをバイパスするように動作さ
せる。この弁6および弁7の開閉動作は連動して
おり、一方が開いている時には他方が閉じている
関係を保つて動作する。この弁6および弁7の開
閉信号はガス分析計5が燃料ガスB′中の一酸化
炭素の量を検出してこの検出値が一定の値を超え
た時に発せられる。ここで一定の値とは低温シフ
トコンバータ4′や燃料電池1の特性を維持する
上で望ましくない値の一酸化炭素濃度である。
With this configuration, depending on the signal from the gas analyzer 5 installed downstream of the high-temperature shift converter 4, the fuel gas is normally supplied to the low-temperature shift converter by opening the valve 6 and closing the valve 7. However, in the event of an abnormality, the valve 6 is closed in response to the output signal of the gas analyzer 5, and the valve 7 is opened to bypass the fuel gas to the bypass passage E. The opening and closing operations of the valves 6 and 7 are linked, and when one is open, the other is closed. The opening/closing signals for the valves 6 and 7 are generated when the gas analyzer 5 detects the amount of carbon monoxide in the fuel gas B' and this detected value exceeds a certain value. Here, the constant value is a carbon monoxide concentration that is undesirable for maintaining the characteristics of the low temperature shift converter 4' and the fuel cell 1.

第3図はこの発明の他の実施例を示した構成図
である。バイパス流路E内に構造体8を挿入した
点が第2図の実施例と異る。この構造体8は所定
の流路体積と流路抵抗とを有するような構造にな
つており、この流路体積と流路抵抗とは、低温シ
フトコンバータ4′と燃料電池1とを通つて燃料
ガスが流れる場合のそれに等しくなるように定め
られている。このような構造体8をバイパス流路
E内に介挿することにより、流路切換えに際して
の圧力変動を極少化することができる。なお構造
体8としてはしぼり弁と体積要素を有する容器を
組み合せて構成することができる。
FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of the present invention. This embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 2 in that a structure 8 is inserted into the bypass channel E. This structure 8 has a structure having a predetermined flow path volume and flow path resistance, and this flow path volume and flow path resistance are defined as the flow of fuel through the low temperature shift converter 4' and the fuel cell 1. It is set to be equal to that when gas flows. By inserting such a structure 8 into the bypass channel E, pressure fluctuations during channel switching can be minimized. Note that the structure 8 can be constructed by combining a squeeze valve and a container having a volume element.

第4図はこの発明のさらに他の実施例を示した
構成図である。第2図および第3図で用いた弁6
および弁7のかわりに、連結流路とバイパス流路
との分岐部に三方弁9を設け、この三方弁9をガ
ス分析計5の出力信号に応じて切り換えるように
したもので、その動作は第2図第3図の場合と同
様に、高温シフトコンバータ4から排出される燃
料ガスB′が低温シフトコンバータ4′に流れる
か、バイパス流路Eに流れるかを択一的に切り換
える動作をする。
FIG. 4 is a block diagram showing still another embodiment of the present invention. Valve 6 used in Figures 2 and 3
In place of the valve 7, a three-way valve 9 is provided at the branching point between the connecting flow path and the bypass flow path, and the three-way valve 9 is switched according to the output signal of the gas analyzer 5, and its operation is as follows. As in the case of FIG. 2 and FIG. 3, the operation is performed to selectively switch whether the fuel gas B' discharged from the high-temperature shift converter 4 flows to the low-temperature shift converter 4' or to the bypass passage E. .

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上実施例に基づいて説明したように、この発
明では高温シフトコンバータから排出される燃料
ガス中の一酸化炭素濃度を検出するガス分析計
と、このガス分析計の出力信号に応答して燃料ガ
スの流路を燃料電池への流路からバイパス流路へ
切り換えるガス切り換え手段を設けたので、発電
システムの起動時、停止時、非定常時および異常
時等における改質器および高温シフトコンバータ
の不安定動作による燃料ガス中の一酸化炭素濃度
の上昇があつても、これによる低温シフトコンバ
ータや燃料電池の特性劣化や破壊を防ぐことがで
きるという利点を有している。
As described above based on the embodiments, the present invention includes a gas analyzer that detects the carbon monoxide concentration in the fuel gas discharged from the high-temperature shift converter, and a gas analyzer that detects the carbon monoxide concentration in the fuel gas discharged from the high-temperature shift converter. Since a gas switching means is provided to switch the flow path from the flow path to the fuel cell to the bypass flow path, malfunctions of the reformer and high-temperature shift converter can be avoided when the power generation system is started, stopped, unsteady, abnormal, etc. Even if the carbon monoxide concentration in the fuel gas increases due to stable operation, it has the advantage of preventing characteristic deterioration or destruction of the low temperature shift converter or fuel cell due to this.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来の燃料電池発電システムの構成を
示す図、第2図、第3図、第4図はそれぞれこの
発明の実施例を示す構成図である。 1……燃料電池、2……改質器、4……高温シ
フトコンバータ、4′……低温シフトコンバータ、
5……ガス分析計、6……弁、7……弁、8……
構造体。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a conventional fuel cell power generation system, and FIGS. 2, 3, and 4 are configuration diagrams each showing an embodiment of the present invention. 1... fuel cell, 2... reformer, 4... high temperature shift converter, 4'... low temperature shift converter,
5...Gas analyzer, 6...Valve, 7...Valve, 8...
Structure.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 改質器を介して供給される燃料ガス中の一酸
化炭素の大部分を二酸化炭素に変換する高温シフ
トコンバータと、この高温コンバータから供給さ
れる前記燃料ガス中の残存一酸化炭素を二酸化炭
素に変換して許容値以下の一酸化炭素を含む水素
リツチガスとして燃料電池に供給する低温シフト
コンバータと、前記高温シフトコンバータのガス
排出口と前記低温シフトコンバータのガス流入口
とを結ぶ連結流路とを有してなる燃料電池発電シ
ステムにおいて、前記残存一酸化炭素の量を検出
するガス分析計と、前記連結流路を分岐するバイ
パス流路と、前記連結流路を流れる前記燃料ガス
を前記バイパス流路に切換えて流すガス切換え手
段とを設け、前記残存一酸化炭素の量が一定の値
を超えた時に前記ガス分析計の出力信号に応答し
て前記ガス切換え手段を動作させ前記燃料ガスを
前記バイパス流路に流すようにしたことを特徴と
する燃料電池発電システム。 2 特許請求の範囲第1項記載の燃料電池発電シ
ステムにおいて、前記ガス切換え手段が、前記連
結流路に設けられた第1の開閉弁と、前記バイパ
ス流路に設けられかつ前記第1の開閉弁と連動し
て動作する第2の開閉弁とから成ることを特徴と
する燃料電池発電システム。 3 特許請求の範囲第1項記載の燃料電池発電シ
ステムにおいて、前記ガス切換え手段が、前記連
結流路と前記バイパス流路との分岐部に設けられ
た三方弁で成ることを特徴とする燃料電池発電シ
ステム。 4 特許請求の範囲第1項記載の燃料電池発電シ
ステムにおいて、前記バイパス流路は、その流路
中に所望の流路体積と流路抵抗とを有する構造体
を含む事を特徴とする燃料電池発電システム。
[Claims] 1. A high-temperature shift converter that converts most of the carbon monoxide in the fuel gas supplied via the reformer into carbon dioxide, and the remainder in the fuel gas supplied from the high-temperature converter. a low-temperature shift converter that converts carbon monoxide into carbon dioxide and supplies it to a fuel cell as a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide below a permissible value; a gas outlet of the high-temperature shift converter; and a gas inlet of the low-temperature shift converter; a gas analyzer for detecting the amount of residual carbon monoxide; a bypass flow path that branches the connection flow path; and a gas analyzer that detects the amount of residual carbon monoxide; gas switching means for switching the fuel gas to flow through the bypass flow path; and when the amount of residual carbon monoxide exceeds a certain value, the gas switching means is configured to switch in response to an output signal of the gas analyzer. A fuel cell power generation system characterized in that the fuel cell power generation system is operated to cause the fuel gas to flow through the bypass flow path. 2. In the fuel cell power generation system according to claim 1, the gas switching means includes a first on-off valve provided in the connecting flow path and a first on-off valve provided on the bypass flow path. A fuel cell power generation system comprising a second on-off valve that operates in conjunction with the valve. 3. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the gas switching means comprises a three-way valve provided at a branch between the connecting flow path and the bypass flow path. power generation system. 4. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the bypass passage includes a structure having a desired passage volume and passage resistance therein. power generation system.
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