JP2010282909A - Fuel cell system - Google Patents

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Tetsuya Yoshida
哲也 吉田
Atsushi Machida
淳 町田
Daisuke Kurashina
大輔 倉品
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of maintaining the CO concentration in reformed gas low in a load variation in a reformer. <P>SOLUTION: This fuel cell system 1A has the reformer 23 for generating hydrogen-rich gas by reforming original fuel, a CO selecting oxidizer 27 for reducing carbon monoxide included in the hydrogen-rich gas by oxidation reaction, a heat exchanger 26 adjusted to the temperature suitable for the oxidation reaction of the carbon monoxide, and a fuel cell 10, and has a combustor 22 for heating the original fuel introduced to the reformer 23. Air before being supplied to the combustor 22 is introduced to the heat exchanger 26 as a refrigerant from a blower 31. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、炭化水素系燃料を水素リッチなガスに改質して燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that reforms a hydrocarbon-based fuel into a hydrogen-rich gas and supplies the fuel cell with fuel gas.

改質利用の燃料電池システムでは、例えば、ガソリンやメタノールなどの炭化水素を含む原燃料を改質器で水素リッチなガスに改質し、この水素リッチなガス（燃料ガス）を燃料電池の燃料ガスとして供給することが行われている。ところで、このような改質利用の燃料電池システムでは、水素リッチなガス中に、副反応により生成された一酸化炭素（ＣＯ）が含まれており、燃料電池に供給される燃料ガス中のＣＯ濃度が高いと、燃料電池のアノードがＣＯ被毒され、燃料電池の出力低下などの悪影響を与える問題がある。   In a reforming-use fuel cell system, for example, a raw fuel containing hydrocarbons such as gasoline and methanol is reformed into a hydrogen-rich gas by a reformer, and this hydrogen-rich gas (fuel gas) is used as fuel for the fuel cell. Supplying as gas is performed. By the way, in such a reforming-use fuel cell system, hydrogen-rich gas contains carbon monoxide (CO) generated by a side reaction, and CO in the fuel gas supplied to the fuel cell. If the concentration is high, the anode of the fuel cell is poisoned with CO, and there is a problem of adverse effects such as a decrease in the output of the fuel cell.

そこで、このような燃料電池システムでは、改質器の下流側に、改質ガス中のＣＯ濃度を燃料電池に投入できるレベルまで低減するＣＯ選択酸化器を設ける技術が提案されている。このＣＯ選択酸化器には、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化する触媒が設けられており、この触媒が活性化する温度領域にガス温度を維持するための温度コントロール手法が燃料電池システムに備えられている。温度コントロール手法としては、例えば、熱交換器を使用し、熱交換器に冷媒として改質原料水を用いることが多く行われている（特許文献１参照）。   In view of this, in such a fuel cell system, a technique has been proposed in which a CO selective oxidizer is provided on the downstream side of the reformer to reduce the CO concentration in the reformed gas to a level at which the fuel cell can be charged. The CO selective oxidizer is provided with a catalyst that selectively oxidizes CO in the reformed gas, and a temperature control method for maintaining the gas temperature in a temperature range where the catalyst is activated is a fuel cell system. Is provided. As a temperature control method, for example, a heat exchanger is often used, and reforming raw water is often used as a refrigerant in the heat exchanger (see Patent Document 1).

特開２００６−２５２８７７号公報（段落００２２、図１）JP 2006-252877 A (paragraph 0022, FIG. 1)

しかしながら、改質原料水でＣＯ選択酸化器の改質ガスの温度をコントロールしようとする場合、定常運転時には問題ないが、改質器の負荷変動時に改質ガスの温度がＣＯ選択酸化器の触媒活性領域から外れてしまい易く、改質ガス中のＣＯ濃度が上昇してしまう課題があった。   However, when the temperature of the reformed gas of the CO selective oxidizer is to be controlled with the reforming raw water, there is no problem during steady operation, but the temperature of the reformed gas changes when the load on the reformer changes. There was a problem that the concentration of CO in the reformed gas was likely to deviate from the active region and increased in the reformed gas.

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、改質器の負荷変動時において改質ガス中のＣＯ濃度を低く維持することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the conventional problems described above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of maintaining a low CO concentration in the reformed gas when the load of the reformer changes.

請求項１に係る発明は、原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記改質器に導入する原燃料を加熱する加熱器を備え、前記加熱器に供給する前の空気を前記温度調整部に冷媒として導入することを特徴とする。   The invention according to claim 1 is a reformer that reforms raw fuel to generate a hydrogen-rich gas, a CO selective oxidizer that reduces carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas by an oxidation reaction, A fuel cell system comprising a temperature adjustment unit that adjusts to a temperature suitable for an oxidation reaction of carbon monoxide, and a fuel cell, comprising: a heater that heats raw fuel introduced into the reformer; and the heater The air before supply is introduced into the temperature adjusting unit as a refrigerant.

これによれば、ＣＯ選択酸化器に導入される改質ガス（水素リッチなガス）を冷却する冷媒として、加熱器に供給する前の空気（酸化剤ガス、燃焼用空気）を用いることにより、改質器の負荷変動に対して追従性よくＣＯ選択酸化器に導入される改質ガスの温度をコントロールできるようになり、改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことができる。   According to this, by using air (oxidant gas, combustion air) before being supplied to the heater as a refrigerant for cooling the reformed gas (hydrogen-rich gas) introduced into the CO selective oxidizer, The temperature of the reformed gas introduced into the CO selective oxidizer can be controlled with good followability to the load fluctuation of the reformer, and the CO concentration of the reformed gas can always be kept low.

さらに、ＣＯ選択酸化器の上流側の熱交換器で熱を回収できるので、回収した熱を下流の加熱器に導入して、原燃料の昇温に利用できる。よって、燃料電池システムの燃料オフガス（改質ガス）の利用効率が向上して、システム全体の効率を上げることができる。   Furthermore, since heat can be recovered by the heat exchanger on the upstream side of the CO selective oxidizer, the recovered heat can be introduced into the downstream heater and used for raising the temperature of the raw fuel. Therefore, the utilization efficiency of the fuel off gas (reformed gas) of the fuel cell system is improved, and the efficiency of the entire system can be increased.

請求項２に係る発明は、原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを冷媒として前記温度調整部に流量調整弁を介して導入することを特徴とする。   The invention according to claim 2 is a reformer that reforms raw fuel to generate a hydrogen-rich gas, a CO selective oxidizer that reduces carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas by an oxidation reaction, In a fuel cell system comprising a temperature adjustment unit that adjusts to a temperature suitable for an oxidation reaction of carbon monoxide, and a fuel cell, a flow rate adjustment valve is provided in the temperature adjustment unit using fuel off-gas discharged from the fuel cell as a refrigerant. It is characterized by introducing through.

これによれば、ＣＯ選択酸化器に導入される改質ガス（水素リッチなガス）を冷却する冷媒として、燃料電池から排出される燃料オフガスを用いることにより、改質器の負荷変動に対して追従性よくＣＯ選択酸化器に導入される改質ガスの温度をコントロールできるようになり、改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことが可能になる。   According to this, by using the fuel off-gas discharged from the fuel cell as the refrigerant for cooling the reformed gas (hydrogen-rich gas) introduced into the CO selective oxidizer, the load on the reformer can be reduced. The temperature of the reformed gas introduced into the CO selective oxidizer can be controlled with good followability, and the CO concentration of the reformed gas can always be kept low.

つまり、従来の改質原料水を用いて冷却する手法では、改質器の負荷変動に合わせて改質原料水の流量を変動させる必要がある一方で、改質原料水でコントロールしようとする改質ガスは時間的な遅れを伴って流量が変動し、冷却される改質ガスにとって、ＣＯ選択酸化器の温度を適性に維持するには、冷媒である改質原料水が多すぎたり少なすぎたりしてしまう。換言すると、改質ガスの流量が変動する前に、変動後の改質ガスの流量に応じた改質原料水（冷媒）によってこれからＣＯ選択酸化器を通る改質ガスの温度コントロールが行われるからである。   In other words, in the conventional cooling method using reforming raw material water, it is necessary to change the flow rate of the reforming raw material water in accordance with the load fluctuation of the reformer, while the reforming to be controlled with the reforming raw material water is required. The flow rate of the quality gas fluctuates with a time lag, and the reforming water to be cooled has too much or too little reforming raw water water to maintain the appropriate temperature of the CO selective oxidizer. I will. In other words, before the flow rate of the reformed gas fluctuates, the temperature of the reformed gas passing through the CO selective oxidizer is now controlled by the reforming raw water (refrigerant) corresponding to the flow rate of the reformed gas after the variation. It is.

請求項３に係る発明は、原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記改質器に導入する原燃料を加熱する加熱器を備え、前記加熱器に供給する前の空気と前記燃料電池から排出される燃料オフガスとを混合した混合ガスを冷媒として前記温度調整部に導入することを特徴とする。   The invention according to claim 3 is a reformer that reforms raw fuel to generate a hydrogen-rich gas, a CO selective oxidizer that reduces carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas by an oxidation reaction, A fuel cell system comprising a temperature adjustment unit that adjusts to a temperature suitable for an oxidation reaction of carbon monoxide, and a fuel cell, comprising: a heater that heats raw fuel introduced into the reformer; and the heater A mixed gas obtained by mixing air before supply and fuel off-gas discharged from the fuel cell is introduced as a refrigerant into the temperature adjustment unit.

これによれば、先に空気と燃料オフガスとを混合することで、温度調整部に多くの冷媒を流すことが可能になるので、温度調整部で取り除きたい（回収可能な）熱量が多い場合に適している。   According to this, since it is possible to flow a large amount of refrigerant through the temperature adjustment unit by mixing the air and the fuel off-gas first, when there is a large amount of heat that can be removed (recoverable) by the temperature adjustment unit. Is suitable.

請求項４に係る発明は、前記改質器は、オートサーマル方式であることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is characterized in that the reformer is an autothermal system.

これによれば、熱を無駄に使うことなく安定的に改質を行うことが可能になる。オートサーマル方式とは、水素濃度の高い水素リッチなガス（改質ガス）を生成する水蒸気改質反応（吸熱反応）と、この水蒸気改質反応に必要な熱量を賄うための部分酸化反応（発熱反応）とを同時に行う方式である。   According to this, it becomes possible to perform reforming stably without wasteful use of heat. The autothermal method is a steam reforming reaction (endothermic reaction) that generates a hydrogen-rich gas (reformed gas) with a high hydrogen concentration, and a partial oxidation reaction (exothermic heat) to cover the amount of heat necessary for this steam reforming reaction. Reaction) at the same time.

請求項５に係る発明は、前記ＣＯ選択酸化器を複数備え、前記温度調整部は、それぞれのＣＯ選択酸化器の前に設けられていることを特徴とする。   The invention according to claim 5 includes a plurality of the CO selective oxidizers, and the temperature adjusting unit is provided in front of each CO selective oxidizer.

これによれば、改質ガス量が多い燃料電池システムに好適なものであり、前段のＣＯ選択酸化器で取り除ききれなかったＣＯ（一酸化炭素）を、次段のＣＯ選択酸化器で取り除くことができ、ＣＯ濃度を低く保つことができる。   According to this, it is suitable for a fuel cell system with a large amount of reformed gas, and CO (carbon monoxide) that could not be removed by the previous CO selective oxidizer is removed by the subsequent CO selective oxidizer. And the CO concentration can be kept low.

請求項６に係る発明は、前記弁は、前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁であり、前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, the valve is a flow rate adjusting valve that adjusts the flow rate of the refrigerant introduced into the temperature adjusting unit, and detects the temperature of the gas supplied to the CO selective oxidizer. And a control unit for controlling the flow rate adjusting valve, wherein the opening degree of the flow rate adjusting valve is controlled according to the temperature detected by the temperature detecting unit.

これによれば、温度検出手段によって検出されたガス（水素リッチなガス、改質ガス）の温度に基づいて流量調整弁を制御することにより、ＣＯ選択酸化器に供給されるガスの温度を適切に制御することができる。   According to this, the temperature of the gas supplied to the CO selective oxidizer is appropriately controlled by controlling the flow rate adjusting valve based on the temperature of the gas (hydrogen-rich gas, reformed gas) detected by the temperature detecting means. Can be controlled.

請求項７に係る発明は、前記弁は、前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁であり、前記温度調整部に冷媒を導入する冷媒導入流路と、前記温度調整部をバイパスして下流に流すバイパス流路と、前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。   The invention according to claim 7 is that the valve is a flow rate adjusting valve that adjusts the flow rate of the refrigerant introduced into the temperature adjusting unit, the refrigerant introducing passage for introducing the refrigerant into the temperature adjusting unit, and the temperature adjusting unit. A bypass flow path that bypasses the flow section and flows downstream, temperature detection means for detecting the temperature of the gas supplied to the CO selective oxidizer, and a control section that controls the flow rate adjustment valve, and the temperature The opening degree of the flow rate adjusting valve is controlled in accordance with the temperature detected by the detecting means.

これによれば、温度検出手段によって検出されたガス（水素リッチなガス、改質ガス）の温度に基づいて流量調整弁を制御することで、バイパス流路に流れる冷媒の流量を調整して、温度調整部に流れる冷媒の流量を適切に制御することができる。   According to this, by adjusting the flow rate adjustment valve based on the temperature of the gas (hydrogen-rich gas, reformed gas) detected by the temperature detection means, the flow rate of the refrigerant flowing in the bypass flow path is adjusted, The flow rate of the refrigerant flowing through the temperature adjusting unit can be appropriately controlled.

請求項８に係る発明は、前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁と、前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a flow rate adjusting valve for adjusting a flow rate of the refrigerant introduced into the temperature adjusting unit, a temperature detecting means for detecting a temperature of the gas supplied to the CO selective oxidizer, and the flow rate. And a control unit for controlling the regulating valve, wherein the opening degree of the flow regulating valve is controlled according to the temperature detected by the temperature detecting means.

これによれば、温度検出手段によって検出されたガス（水素リッチなガス、改質ガス）の温度に基づいて流量調整弁を制御することにより、ＣＯ選択酸化器に供給されるガスの温度を適切に制御することができる。   According to this, the temperature of the gas supplied to the CO selective oxidizer is appropriately controlled by controlling the flow rate adjusting valve based on the temperature of the gas (hydrogen-rich gas, reformed gas) detected by the temperature detecting means. Can be controlled.

請求項９に係る発明は、前記温度調整部に冷媒を導入する冷媒導入流路と、前記冷媒導入流路に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁と、前記温度調整部をバイパスして下流に流すバイパス流路と、前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。   According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a refrigerant introduction flow path for introducing a refrigerant into the temperature adjustment section, a flow rate adjustment valve for adjusting a flow rate of the refrigerant introduced into the refrigerant introduction flow path, and bypassing the temperature adjustment section. And a bypass flow channel that flows downstream, a temperature detection unit that detects the temperature of the gas supplied to the CO selective oxidizer, and a control unit that controls the flow rate adjustment valve, and is detected by the temperature detection unit. The opening degree of the flow rate adjusting valve is controlled according to the measured temperature.

これによれば、温度検出手段によって検出されたガス（水素リッチなガス、改質ガス）の温度に基づいて流量調整弁を制御することで、バイパス流路に流れる冷媒の流量を調整して、温度調整部に流れる冷媒の流量を適切に制御することができる。   According to this, by adjusting the flow rate adjustment valve based on the temperature of the gas (hydrogen-rich gas, reformed gas) detected by the temperature detection means, the flow rate of the refrigerant flowing in the bypass flow path is adjusted, The flow rate of the refrigerant flowing through the temperature adjusting unit can be appropriately controlled.

本発明によれば、改質器の負荷変動時において改質ガス中のＣＯ濃度を低く維持することができる燃料電池システムを提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can maintain the CO density | concentration in reformed gas low at the time of load change of a reformer can be provided.

第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。It is a whole lineblock diagram showing the fuel cell system of a 1st embodiment. 第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the fuel cell system of 2nd Embodiment. 第３実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the fuel cell system of 3rd Embodiment.

以下、本発明に係る実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。なお、本実施形態の燃料電池システム１Ａ〜１Ｃは、例えば、家庭用や業務用などの定置式の燃料電池システムに適用してもよいし、自動車、船舶、航空機などの乗物用の燃料電池システムに適用してもよい。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 3. The fuel cell systems 1A to 1C of the present embodiment may be applied to, for example, a stationary fuel cell system for home use or business use, or a fuel cell system for vehicles such as automobiles, ships, and aircrafts. You may apply to.

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、蒸発器２１、燃料器２２（加熱器）、改質器２３、熱交換器２４、ＣＯ変成器２５、熱交換器２６（温度調整部）、ＣＯ選択酸化器２７、ブロア３１、流量調整弁３２，３３、制御部１００、温度センサ１０１（温度検出手段）などで構成されている。 (First embodiment)
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1A of the first embodiment includes a fuel cell 10, an evaporator 21, a fuel device 22 (heater), a reformer 23, a heat exchanger 24, a CO converter 25, heat It comprises an exchanger 26 (temperature adjusting unit), a CO selective oxidizer 27, a blower 31, flow rate adjusting valves 32 and 33, a control unit 100, a temperature sensor 101 (temperature detecting means), and the like.

燃料電池１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、ＭＥＡ（膜電極接合体）を一対の導電性のセパレータで挟んで構成した単セルを複数積層した構造を有している。ＭＥＡは、固体高分子からなる電解質膜を、触媒（白金など）を含むアノードおよびカソードで挟んで構成したものである。アノードに対向するセパレータには、水素（燃料ガス、水素リッチなガス、改質ガス）が通流する流路が形成され、カソードに対向するセパレータには、酸素を含む空気（酸化剤ガス）が通流する流路が形成されている。   The fuel cell 10 is a solid polymer electrolyte type fuel cell, and has a structure in which a plurality of single cells configured by sandwiching a MEA (membrane electrode assembly) between a pair of conductive separators are stacked. The MEA is configured by sandwiching an electrolyte membrane made of a solid polymer between an anode and a cathode containing a catalyst (such as platinum). The separator facing the anode is formed with a flow path through which hydrogen (fuel gas, hydrogen-rich gas, reformed gas) flows, and the air facing the cathode is filled with oxygen-containing air (oxidant gas). A flow path through which the air flows is formed.

このような燃料電池１０では、アノードに供給される水素と、カソードに供給される空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電が行われる。例えば、家庭用の燃料電池システムでは、燃料電池１０によって発電された電力が家庭内の電気機器用として利用され、燃料電池１０の発電時に発生した熱が暖房用や給湯用として利用される。   In such a fuel cell 10, power generation is performed by an electrochemical reaction between hydrogen supplied to the anode and oxygen contained in air supplied to the cathode. For example, in a household fuel cell system, the electric power generated by the fuel cell 10 is used for household electrical equipment, and the heat generated during the power generation of the fuel cell 10 is used for heating or hot water supply.

蒸発器２１は、原燃料供給装置（図示せず）から供給された原燃料および水を、改質用空気とともに後記する燃焼器２２で加熱して原料ガス（水蒸気混合燃料）を生成する。なお、原燃料とは、天然ガス、プロパン、ＬＰＧ、灯油、バイオエタノール、メタノール、ガソリンなどの炭化水素系燃料である。また、改質用空気は、図示しないエアコンプレッサから供給される。   The evaporator 21 heats raw fuel and water supplied from a raw fuel supply device (not shown) together with reforming air in a combustor 22 described later to generate a raw material gas (steam-mixed fuel). The raw fuel is a hydrocarbon fuel such as natural gas, propane, LPG, kerosene, bioethanol, methanol, and gasoline. The reforming air is supplied from an air compressor (not shown).

燃焼器２２は、例えば、内部に触媒燃焼部（図示せず）を備えており、燃料電池１０から排出される水素オフガス（燃料オフガス）と、後記するブロア３１から供給される空気（酸化剤ガス、燃焼用空気）とが触媒燃焼部に導入されて触媒燃焼され、このときに発生する排熱で、蒸発器２１に導入される原燃料および水を気化させて原燃料ガスにするとともに、改質用空気を加熱する。原燃料ガスと改質用空気は混合されて原料ガス（水蒸気混合燃料）となって蒸発器２１から、配管ａ１、熱交換器２４、配管ａ２を介して改質器２３に供給される。   The combustor 22 includes, for example, a catalytic combustion unit (not shown) therein, and includes hydrogen off-gas (fuel off-gas) discharged from the fuel cell 10 and air (oxidant gas) supplied from a blower 31 described later. , Combustion air) is introduced into the catalytic combustion section and catalytically combusted, and the exhaust heat generated at this time evaporates the raw fuel and water introduced into the evaporator 21 to form a raw fuel gas. Heat the quality air. The raw fuel gas and the reforming air are mixed to form a raw material gas (steam-mixed fuel), which is supplied from the evaporator 21 to the reformer 23 via the pipe a1, the heat exchanger 24, and the pipe a2.

改質器２３は、ハニカム担体に改質触媒を担持して構成されており、この改質触媒の触媒作用により改質器２３内で、部分酸化反応と水蒸気改質反応とが行われ、その結果、原料ガスが水素リッチなガス（以下、改質ガスとする）に改質される。なお、この改質ガスには、副反応により生じたＣＯ（一酸化炭素）が数％程度含まれている。   The reformer 23 is configured by supporting a reforming catalyst on a honeycomb carrier, and a partial oxidation reaction and a steam reforming reaction are performed in the reformer 23 by the catalytic action of the reforming catalyst. As a result, the raw material gas is reformed to a hydrogen-rich gas (hereinafter referred to as a reformed gas). The reformed gas contains about several percent of CO (carbon monoxide) generated by the side reaction.

熱交換器２４は、改質器２３から排出される改質ガスと、蒸発器２１から導入される原料ガスとの間で熱交換が行われる。すなわち、改質器２３から排出される改質ガスは極めて高温であるため、熱交換器２４において蒸発器２１から供給される原料ガスと熱交換されることによって所定の温度に冷却された後に配管ａ４を介してＣＯ変成器（シフタともいう）２５に供給される。   In the heat exchanger 24, heat exchange is performed between the reformed gas discharged from the reformer 23 and the raw material gas introduced from the evaporator 21. That is, since the reformed gas discharged from the reformer 23 is extremely high in temperature, the heat exchanger 24 exchanges heat with the raw material gas supplied from the evaporator 21 and then cools the reformed gas to a predetermined temperature. It is supplied to a CO transformer (also called a shifter) 25 through a4.

ところで、改質器２３から排出される改質ガスはＣＯを含んでおり、それをそのまま燃料電池１０のアノードに供給すると、アノードの触媒がＣＯ被毒して燃料電池１０に悪影響を及ぼす場合があるので、ＣＯ変成器２５によりＣＯを除去する。ＣＯ変成器２５は、例えばハニカム担体に白金系のＣＯ変成触媒を担持させて構成されており、このＣＯ変成触媒の作用によりＣＯ変成器２５の内部で以下の（１）式に示すような変成反応が行われ、改質ガス中の多くのＣＯが水素と二酸化炭素に変成される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２・・・（１） By the way, the reformed gas discharged from the reformer 23 contains CO, and if it is supplied to the anode of the fuel cell 10 as it is, the catalyst at the anode may be poisoned with CO and adversely affect the fuel cell 10. Therefore, CO is removed by the CO transformer 25. The CO converter 25 is configured by, for example, supporting a platinum-based CO conversion catalyst on a honeycomb carrier, and the CO conversion catalyst 25 operates as shown in the following formula (1) by the action of the CO conversion catalyst. The reaction takes place and a large amount of CO in the reformed gas is converted to hydrogen and carbon dioxide.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (1)

ＣＯ変成器２５によってＣＯが除去された改質ガスは、配管ａ５を介して熱交換器２６に供給される。この熱交換器２６は、ＣＯ変成器２５から排出される改質ガスと、後記する冷媒との間で熱交換が行われ、ＣＯ選択酸化器２７に供給される改質ガスの温度を調整する。熱交換器２６で熱交換された改質ガスは、配管ａ６を介してＣＯ選択酸化器２７に供給される。   The reformed gas from which CO has been removed by the CO converter 25 is supplied to the heat exchanger 26 via the pipe a5. The heat exchanger 26 performs heat exchange between the reformed gas discharged from the CO converter 25 and a refrigerant described later, and adjusts the temperature of the reformed gas supplied to the CO selective oxidizer 27. . The reformed gas heat-exchanged by the heat exchanger 26 is supplied to the CO selective oxidizer 27 via the pipe a6.

ＣＯ選択酸化器２７は、例えばハニカム担体にＣＯを選択酸化する白金系のＣＯ除去触媒を備えて構成されており、ＣＯ選択酸化器２７には、図示しない供給ラインからＣＯ酸化用空気が供給される。ＣＯ選択酸化器２７では、ＣＯ除去触媒の触媒作用により、以下の（２）式に示すような酸化反応が行われ、改質ガス中に微量に残留するＣＯがＣＯ２（二酸化炭素）に酸化される。
ＣＯ＋１／２Ｏ２ → ＣＯ２＋Ｈ２・・・（２） The CO selective oxidizer 27 includes, for example, a honeycomb carrier that includes a platinum-based CO removal catalyst that selectively oxidizes CO. The CO selective oxidizer 27 is supplied with CO oxidation air from a supply line (not shown). The In the CO selective oxidizer 27, an oxidation reaction as shown in the following equation (2) is performed by the catalytic action of the CO removal catalyst, and a small amount of CO remaining in the reformed gas is oxidized to CO 2 (carbon dioxide). Is done.
CO + 1 / 2O 2 → CO 2 + H 2 (2)

ＣＯ選択酸化器２７から排出された改質ガスは、配管ａ７を介して燃料電池１０のアノードに供給される。アノードに供給された水素の一部は、カソードに供給された空気中の酸素と反応して発電が行われ、また、アノードで消費されなかった未反応（未消費）の水素が、水素オフガスとして燃料電池１０のアノードから配管ａ８に排出される。   The reformed gas discharged from the CO selective oxidizer 27 is supplied to the anode of the fuel cell 10 via the pipe a7. A part of the hydrogen supplied to the anode reacts with oxygen in the air supplied to the cathode to generate power, and unreacted (unconsumed) hydrogen that has not been consumed at the anode becomes hydrogen off-gas. The fuel cell 10 is discharged from the anode to the pipe a8.

また、燃料電池１０のアノードから排出された水素オフガスの全量は、燃焼器２２に直接に供給される（実線の矢印参照）。以下、燃料電池１０のアノードと燃焼器２２との間の構成について説明する。   Further, the total amount of hydrogen off-gas discharged from the anode of the fuel cell 10 is directly supplied to the combustor 22 (see solid line arrow). Hereinafter, the configuration between the anode of the fuel cell 10 and the combustor 22 will be described.

すなわち、燃料電池１０のアノードの出口は、配管ａ８を介して燃焼器２２と接続されている。また、熱交換器２６の冷媒入口は、配管ｂ１、流量調整弁３２、配管ｂ２を介してブロア３１と接続されている。また、熱交換器２６の冷媒出口は、配管ｂ５を介して配管ａ８と接続されている。また、配管ａ８と配管ｂ２とは、配管ｂ３、流量調整弁３３および配管ｂ４を介して接続されている。なお、配管ａ８と配管ｂ５とが接続される合流部は、配管ａ８と配管ｂ３とが接続される分岐部よりも下流側に位置している。   That is, the anode outlet of the fuel cell 10 is connected to the combustor 22 via the pipe a8. The refrigerant inlet of the heat exchanger 26 is connected to the blower 31 via a pipe b1, a flow rate adjustment valve 32, and a pipe b2. The refrigerant outlet of the heat exchanger 26 is connected to the pipe a8 via the pipe b5. The pipe a8 and the pipe b2 are connected via the pipe b3, the flow rate adjustment valve 33, and the pipe b4. The junction where the pipe a8 and the pipe b5 are connected is located on the downstream side of the branch part where the pipe a8 and the pipe b3 are connected.

ブロア３１（空気供給手段）は、燃焼器２２に酸化剤ガスとして空気（燃焼用空気）を供給するものであり、例えば、制御部１００によって空気の流量が制御され、燃料電池１０の出力に応じて制御される。燃料電池１０の出力は、例えば、燃料電池１０から取り出される電流値を図示しない電流センサによって検出することで判断できる。例えば、燃料電池１０の出力が増加した場合には、ブロア３１から供給される空気の流量が増加するようになっている。流量調整弁３２は、熱交換器２６に導入される冷媒の流量を調整する弁であり、流量調整弁３３は、熱交換器２６を通さずに燃焼器２２で必要な空気量を調整する弁であり、それぞれの開度が制御部１００によって制御される。   The blower 31 (air supply means) supplies air (combustion air) as an oxidant gas to the combustor 22. For example, the flow rate of air is controlled by the control unit 100, and the air is supplied according to the output of the fuel cell 10. Controlled. The output of the fuel cell 10 can be determined, for example, by detecting a current value taken from the fuel cell 10 by a current sensor (not shown). For example, when the output of the fuel cell 10 increases, the flow rate of air supplied from the blower 31 increases. The flow rate adjustment valve 32 is a valve that adjusts the flow rate of the refrigerant introduced into the heat exchanger 26, and the flow rate adjustment valve 33 is a valve that adjusts the amount of air required by the combustor 22 without passing through the heat exchanger 26. Each opening degree is controlled by the control unit 100.

なお、制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどで構成され、ＣＯ選択酸化器２７に供給される前の改質ガスの温度Ｔに応じて、流量調整弁３２を制御するようになっている。また、温度センサ１０１は、ＣＯ選択酸化器２７に供給される前の改質ガスの温度Ｔを検出するものである。   The control unit 100 includes a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and controls the flow rate adjustment valve 32 according to the temperature T of the reformed gas before being supplied to the CO selective oxidizer 27. . The temperature sensor 101 detects the temperature T of the reformed gas before being supplied to the CO selective oxidizer 27.

次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの動作について説明する。図１に示す燃料電池システム１Ａでは、燃料電池１０のアノードから排出される水素オフガスの全量が、熱交換器２６をバイパスするバイパス流路Ｌ１を含む配管ａ８を通って燃焼器２２に供給される。また、制御部１００によって、流量調整弁３２が所望の開度（熱交換器２６を冷却するのに必要な流量となるような開度）に調整されるとともに流量調整弁３３が閉じられた状態で、ブロア３１が駆動されることにより、外気を吸引するブロア３１から燃焼器２２に供給される前の空気（酸化剤ガス、燃焼用空気）が冷媒として配管ｂ２，ｂ１を通って熱交換器２６に供給される。そして、ブロア３１からの空気が熱交換器２６において改質ガスとの間で熱交換（改質ガスが冷却）される。そして、熱交換器２６から排出された空気は、配管ｂ５を通って、配管ａ８において水素オフガスと混合された後に燃焼器２２に供給される。なお、本実施形態では、配管ｂ１，ｂ２が冷媒導入流路に相当する。   Next, the operation of the fuel cell system 1A of the first embodiment will be described. In the fuel cell system 1 </ b> A shown in FIG. 1, the entire amount of hydrogen off-gas discharged from the anode of the fuel cell 10 is supplied to the combustor 22 through a pipe a <b> 8 including a bypass channel L <b> 1 that bypasses the heat exchanger 26. . In addition, the control unit 100 adjusts the flow rate adjustment valve 32 to a desired opening degree (an opening degree at which the flow rate is necessary for cooling the heat exchanger 26) and the flow rate adjustment valve 33 is closed. When the blower 31 is driven, the air (oxidant gas, combustion air) before being supplied to the combustor 22 from the blower 31 that sucks outside air passes through the pipes b2 and b1 as a refrigerant, and is a heat exchanger. 26. The air from the blower 31 is heat exchanged with the reformed gas in the heat exchanger 26 (the reformed gas is cooled). And the air discharged | emitted from the heat exchanger 26 is supplied to the combustor 22 after mixing with hydrogen offgas in the piping a8 through the piping b5. In the present embodiment, the pipes b1 and b2 correspond to the refrigerant introduction channel.

また、燃料電池システム１Ａでは、空気の量が熱交換器２６を通って燃焼器２２に供給されるものだけでは不足する場合には、ブロア３１からの空気を増量し、さらに流量調整弁３３を所望の開度に開弁した状態で、ブロア３１からの空気を配管ｂ２，ｂ４，ｂ３，ａ８の経路も使って燃焼器２２に供給する。   Further, in the fuel cell system 1A, when only the amount of air supplied to the combustor 22 through the heat exchanger 26 is insufficient, the amount of air from the blower 31 is increased, and the flow rate adjustment valve 33 is further set. With the valve opened to a desired opening, the air from the blower 31 is supplied to the combustor 22 using the paths of the pipes b2, b4, b3, and a8.

なお、熱交換器２６に冷媒を供給する必要がない場合には、制御部１００によって流量調整弁３２が閉じられ、流量調整弁３３が開かれることで、ブロア３１からの空気の全量が、配管ｂ２，ｂ４，ｂ３，ａ８を介して燃焼器２２に供給される。   When there is no need to supply the refrigerant to the heat exchanger 26, the control unit 100 closes the flow rate adjustment valve 32 and opens the flow rate adjustment valve 33, so that the total amount of air from the blower 31 is reduced to the piping. It is supplied to the combustor 22 through b2, b4, b3, and a8.

ところで、燃料電池１０の出力を上昇させる指令が発せられて、改質ガスの流量が増えると、熱交換器２６で改質ガスを冷却する能力を上昇させる必要が生じるが、前記したように、ブロア３１から、燃焼器２２に供給される前の空気を熱交換器２６に導入することで、改質器２３の負荷変動に対して追従性よくＣＯ選択酸化器２７に導入される改質ガスの温度Ｔをコントロールできるようになり、ＣＯ選択酸化器２７から排出される改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことができる。   By the way, when a command to increase the output of the fuel cell 10 is issued and the flow rate of the reformed gas increases, it is necessary to increase the ability to cool the reformed gas in the heat exchanger 26. As described above, By introducing the air before being supplied to the combustor 22 from the blower 31 into the heat exchanger 26, the reformed gas introduced into the CO selective oxidizer 27 with good followability to the load fluctuation of the reformer 23. Thus, the CO concentration of the reformed gas discharged from the CO selective oxidizer 27 can always be kept low.

また、第１実施形態では、ＣＯ選択酸化器２７に導入される改質ガスの温度Ｔを温度センサ１０１によって検出し、検出された温度Ｔに基づいて流量調整弁３２の開度を制御して冷媒の流量を調整するので、温度Ｔのコントロールをより適切（高精度）に、つまり温度ＴがＣＯ選択酸化器２７の触媒活性温度（触媒活性領域）を維持できるように、行うことが可能になる。   In the first embodiment, the temperature T of the reformed gas introduced into the CO selective oxidizer 27 is detected by the temperature sensor 101, and the opening degree of the flow rate adjustment valve 32 is controlled based on the detected temperature T. Since the flow rate of the refrigerant is adjusted, the temperature T can be controlled more appropriately (highly accurately), that is, so that the temperature T can maintain the catalytic activation temperature (catalytic activation region) of the CO selective oxidizer 27. Become.

また、第１実施形態では、熱交換器２６に燃焼器２２に供給する前の空気を通流させることにより、空気によって改質ガスの熱を回収することができ、回収した熱を後段に位置する燃焼器２２に供給して、蒸発器２１での原料ガスの昇温に利用できる。よって、燃焼器２２での燃焼効率を高めることができ、燃料電池システム１Ａ全体の効率を上げることができる。   In the first embodiment, the heat before supplying the combustor 22 to the heat exchanger 26 is allowed to flow, whereby the heat of the reformed gas can be recovered by the air, and the recovered heat is located in the subsequent stage. This can be supplied to the combustor 22 to be used for raising the temperature of the raw material gas in the evaporator 21. Therefore, the combustion efficiency in the combustor 22 can be increased, and the efficiency of the entire fuel cell system 1A can be increased.

また、第１実施形態では、発熱反応と吸熱反応とを組み合わせたオートサーマル方式の改質器２３を利用することにより、熱を無駄に使うことなく安定した改質を行うことができ、改質ガスを安定的に得ることができる。   Further, in the first embodiment, by using the autothermal reformer 23 that combines an exothermic reaction and an endothermic reaction, stable reforming can be performed without wasting heat. Gas can be obtained stably.

また、逆に燃料電池１０の出力を低下させる指令が発せられた場合には、熱交換器２６で改質ガスを冷却する能力を低下させる必要が生じるが、この場合にも、燃料電池１０の出力低下の指令に応じてブロア３１からの空気の流量を減少させること、または流量調整弁３２の開度を絞る（閉弁）ことにより、迅速に冷却能力を低下させることができる。このように、負荷を低下させる負荷変動が生じた場合であっても、追従性よくＣＯ選択酸化器２７に導入される改質ガスの温度Ｔをコントロールできるようになり、ＣＯ選択酸化器２７から排出される改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことできる。   Conversely, when a command to reduce the output of the fuel cell 10 is issued, the ability to cool the reformed gas by the heat exchanger 26 needs to be reduced. The cooling capacity can be quickly reduced by reducing the flow rate of air from the blower 31 or reducing the opening of the flow rate adjustment valve 32 (valve closing) in response to the output reduction command. As described above, even when a load fluctuation that reduces the load occurs, the temperature T of the reformed gas introduced into the CO selective oxidizer 27 can be controlled with good followability. The CO concentration of the reformed gas discharged can always be kept low.

（第２実施形態）
図２に示すように、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、水素オフガスと空気（燃焼用空気）とを混合した混合ガスを冷媒として熱交換器２６に導入する構成である。なお、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。 (Second Embodiment)
As shown in FIG. 2, the fuel cell system 1 </ b> B of the second embodiment is configured to introduce a mixed gas obtained by mixing hydrogen offgas and air (combustion air) into the heat exchanger 26 as a refrigerant. In addition, about the structure similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.

すなわち、燃料電池１０のアノードの出口は、上流側から順に、配管ａ８、流量調整弁４３、配管ａ９を介して燃焼器２２と接続されている。また、熱交換器２６の冷媒入口は、配管ｂ１２，流量調整弁４２および配管ｂ１３を介して流量調整弁４３の上流側の配管ａ８と接続されている。また、熱交換器２６の冷媒出口は、ｂ１４を介して流量調整弁４３の下流側の配管ａ９と接続されている。また、配管ｂ１３が接続される分岐部よりも上流側の配管ａ８には、配管ｂ１１を介してブロア４１が接続されている。なお、本実施形態では、配管ｂ１２，ｂ１３が冷媒導入流路に相当し、符号Ｌ２で示す部分がバイパス流路に相当する。   That is, the anode outlet of the fuel cell 10 is connected to the combustor 22 via the pipe a8, the flow rate adjusting valve 43, and the pipe a9 in this order from the upstream side. The refrigerant inlet of the heat exchanger 26 is connected to the pipe a8 on the upstream side of the flow rate adjustment valve 43 through the pipe b12, the flow rate adjustment valve 42, and the pipe b13. The refrigerant outlet of the heat exchanger 26 is connected to a pipe a9 on the downstream side of the flow rate adjustment valve 43 through b14. A blower 41 is connected to a pipe a8 on the upstream side of the branch portion to which the pipe b13 is connected via a pipe b11. In the present embodiment, the pipes b12 and b13 correspond to the refrigerant introduction flow path, and the portion indicated by the symbol L2 corresponds to the bypass flow path.

このような燃料電池システム１Ｂでは、制御部１００によって流量調整弁４２が開かれた状態において、燃料電池１０のアノードから排出された水素オフガスと、ブロア４１から燃焼器２２に供給される前の空気（酸化剤ガス、燃焼用空気）とが混合された混合ガスが、配管ｂ１３，ｂ１２を介して熱交換器２６に供給され、改質ガスとの間で熱交換が行われる。熱交換された混合ガスは、配管ｂ１４，ａ９を介して燃焼器２２に供給される。   In such a fuel cell system 1 </ b> B, the hydrogen off-gas discharged from the anode of the fuel cell 10 and the air before being supplied from the blower 41 to the combustor 22 in a state where the flow control valve 42 is opened by the control unit 100. A mixed gas mixed with (oxidant gas, combustion air) is supplied to the heat exchanger 26 via the pipes b13 and b12, and heat exchange is performed with the reformed gas. The heat-exchanged mixed gas is supplied to the combustor 22 through the pipes b14 and a9.

例えば、負荷が上昇する負荷変動が生じた場合において、熱交換器２６で必要とされる冷却能力が増えたときには、制御部１００によって流量調整弁４３を全閉にするとともに、流量調整弁４２を全開にすることで、水素オフガスとブロア４１からの空気との混合ガスの全量が熱交換器２６に供給され、熱交換器２６において混合ガスと改質ガスとの間で熱交換が行われる。なお、流量調整弁４２，４３の開度を適宜調整して、混合ガスの一部が熱交換器２６に供給され、残りがバイパス流路Ｌ２に供給されるようにしてもよい。   For example, in the case where a load fluctuation that increases the load occurs, when the cooling capacity required for the heat exchanger 26 increases, the flow rate adjustment valve 43 is fully closed by the control unit 100 and the flow rate adjustment valve 42 is changed. By fully opening, the total amount of the mixed gas of the hydrogen off-gas and the air from the blower 41 is supplied to the heat exchanger 26, and heat exchange is performed between the mixed gas and the reformed gas in the heat exchanger 26. In addition, the opening degree of the flow regulating valves 42 and 43 may be appropriately adjusted so that a part of the mixed gas is supplied to the heat exchanger 26 and the rest is supplied to the bypass flow path L2.

逆に、負荷が低下する負荷変動が生じた場合において、熱交換器２６で必要とされる冷却能力が低下したときには、制御部１００によって流量調整弁４２の開度が小さく設定され、流量調整弁４３の開度が大きく設定されることで、熱交換器２６に導入される冷媒の流量が低減される。これによって、熱交換器２６での冷却能力が低下する。また、熱交換器２６において改質ガスを冷却する必要がない場合には、制御部１００によって流量調整弁４２を全閉にし、流量調整弁４３を全開にすることで、混合ガスの全量が熱交換器２６をバイパスするバイパス流路Ｌ２を通って燃焼器２２に供給される。   On the other hand, when the load fluctuation that reduces the load occurs, when the cooling capacity required by the heat exchanger 26 decreases, the opening degree of the flow rate adjustment valve 42 is set small by the control unit 100, and the flow rate adjustment valve Since the opening degree of 43 is set large, the flow rate of the refrigerant introduced into the heat exchanger 26 is reduced. Thereby, the cooling capacity in the heat exchanger 26 is lowered. Further, when it is not necessary to cool the reformed gas in the heat exchanger 26, the controller 100 fully closes the flow rate adjustment valve 42 and fully opens the flow rate adjustment valve 43, so that the total amount of the mixed gas is heated. The gas is supplied to the combustor 22 through a bypass flow path L2 that bypasses the exchanger 26.

このように、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂによれば、水素オフガスと燃焼器２２に供給される前の空気との混合ガスを冷媒として熱交換器２６に導入することで、改質器２３の負荷変動に対してＣＯ選択酸化器２７に導入される改質ガスの温度Ｔを追従性よくコントロールできるようになり、ＣＯ選択酸化器２７から排出される改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことできる。また、水素オフガスと空気とを混合した後に熱交換器２６に供給することで、熱交換器２６にさらに多くの流量の冷媒を供給することができる。よって、熱交換器２６で取り除きたい（回収可能な）熱量が多い場合の燃料電池システム１Ｂにおいて好適に使用することが可能になる。   As described above, according to the fuel cell system 1B of the second embodiment, the reformer is introduced by introducing the mixed gas of the hydrogen off gas and the air before being supplied to the combustor 22 into the heat exchanger 26 as a refrigerant. Therefore, the temperature T of the reformed gas introduced into the CO selective oxidizer 27 can be controlled with good followability with respect to the load fluctuation of 23, and the CO concentration of the reformed gas discharged from the CO selective oxidizer 27 is always reduced. Can keep. Further, by supplying the hydrogen off gas and air to the heat exchanger 26 after mixing, it is possible to supply a larger amount of refrigerant to the heat exchanger 26. Therefore, the heat exchanger 26 can be suitably used in the fuel cell system 1B when there is a large amount of heat to be removed (recoverable) by the heat exchanger 26.

また、第２実施形態では、ＣＯ選択酸化器２７に導入される改質ガスの温度Ｔを温度センサ１０１によって検出し、検出された温度Ｔに基づいて流量調整弁４２，４３の開度を調整して冷媒の流量を制御するので、温度Ｔのコントロールをより適切（高精度）に行うことができる。また、熱交換器２６に水素オフガスおよび空気を通流させることにより、水素オフガスおよび空気によって改質ガスの熱が回収され、回収した熱を後段に位置する燃焼器２２に供給して、蒸発器２１での原料ガスの昇温に利用できる。   In the second embodiment, the temperature T of the reformed gas introduced into the CO selective oxidizer 27 is detected by the temperature sensor 101, and the openings of the flow rate adjusting valves 42 and 43 are adjusted based on the detected temperature T. Since the flow rate of the refrigerant is controlled, the temperature T can be controlled more appropriately (with high accuracy). Further, by passing the hydrogen off gas and air through the heat exchanger 26, the heat of the reformed gas is recovered by the hydrogen off gas and air, and the recovered heat is supplied to the combustor 22 located at the subsequent stage, so that the evaporator 21 can be used for raising the temperature of the source gas.

（第３実施形態）
図３に示すように、第３実施形態の燃料電池システム１Ｃは、複数のＣＯ選択酸化器（第１ＣＯ選択酸化器、第２ＣＯ選択酸化器）２７，２９を備え、それぞれのＣＯ選択酸化器２７，２９の前に熱交換器（第１熱交換器、第２熱交換器）２６，２８が設けられた構成である。なお、第１実施形態および第２実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。 (Third embodiment)
As shown in FIG. 3, the fuel cell system 1 </ b> C of the third embodiment includes a plurality of CO selective oxidizers (first CO selective oxidizer, second CO selective oxidizer) 27 and 29, and each CO selective oxidizer 27. , 29 is provided with heat exchangers (first heat exchanger, second heat exchanger) 26, 28. In addition, about the structure similar to 1st Embodiment and 2nd Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.

すなわち、熱交換器２８は、上流のＣＯ選択酸化器２７とは配管ａ１１を介して接続され、下流のＣＯ選択酸化器２９とは配管ａ１２を介して接続されている。ＣＯ選択酸化器２９は、ＣＯ選択酸化器２７で取り除ききれなかったＣＯを取り除くものであり、改質ガスの流量が多い燃料電池システムにおいて好適に使用される。また、温度センサ１０２は、ＣＯ選択酸化器２９に供給される前の改質ガスの温度Ｔを検出するものである。   That is, the heat exchanger 28 is connected to the upstream CO selective oxidizer 27 via the pipe a11, and is connected to the downstream CO selective oxidizer 29 via the pipe a12. The CO selective oxidizer 29 removes CO that cannot be removed by the CO selective oxidizer 27, and is preferably used in a fuel cell system having a large flow rate of reformed gas. The temperature sensor 102 detects the temperature T of the reformed gas before being supplied to the CO selective oxidizer 29.

また、流量調整弁５３，５４および配管ｂ２１，ｂ２２，ｂ２３による構成は、図２の燃料電池システム１Ｂでの流量調整弁４２，４３および配管ｂ１２〜ｂ１４による構成と同様である。また、ブロア５１、流量調整弁５２および配管ｂ２４，ｂ２５，ｂ２６，ｂ２７による構成は、図１の燃料電池システム１Ａでの流量調整弁３３を除くブロア３１、流量調整弁３２および配管ｂ１〜ｂ５による構成と同様である。なお、符号Ｌ３，Ｌ４で示す配管ａ８の一部がそれぞれ熱交換器２８，２６をバイパスするバイパス流路に相当し、また、配管ｂ２４，ｂ２５、および、配管ｂ２１，ｂ２２が冷媒導入流路に相当する。   The configuration using the flow rate adjusting valves 53 and 54 and the pipes b21, b22, and b23 is the same as the configuration using the flow rate adjusting valves 42 and 43 and the pipes b12 to b14 in the fuel cell system 1B of FIG. The blower 51, the flow rate adjusting valve 52, and the pipes b24, b25, b26, b27 are configured by the blower 31, the flow rate adjusting valve 32, and the pipes b1 to b5 excluding the flow rate adjusting valve 33 in the fuel cell system 1A of FIG. The configuration is the same. A part of the pipe a8 indicated by reference numerals L3 and L4 corresponds to a bypass flow path that bypasses the heat exchangers 28 and 26, respectively, and the pipes b24 and b25 and the pipes b21 and b22 serve as a refrigerant introduction flow path. Equivalent to.

このように構成された燃料電池システム１Ｃでは、燃料電池１０のアノードから排出された水素オフガスの全量が、配管ａ８のバイパス流路Ｌ３を通流する。また、制御部１００によって流量調整弁５２が所望の開度（熱交換器２８を冷却するのに必要な流量となる開度）に調整された状態でブロア５１が駆動されることにより、空気（冷媒）が配管ｂ２５，ｂ２４を通って熱交換器２８に供給される。ＣＯ選択酸化器２７から熱交換器２８に供給された改質ガスは、空気によって熱交換が行われ、熱交換が行われた空気は、配管ｂ２７を介して配管ｂ２２よりも上流の配管ａ８に排出される。   In the fuel cell system 1C configured as described above, the entire amount of hydrogen off-gas discharged from the anode of the fuel cell 10 flows through the bypass flow path L3 of the pipe a8. Further, the blower 51 is driven in a state where the flow rate adjusting valve 52 is adjusted to a desired opening degree (an opening degree at which the flow rate is necessary for cooling the heat exchanger 28) by the control unit 100, so that air ( Refrigerant) is supplied to the heat exchanger 28 through the pipes b25 and b24. The reformed gas supplied from the CO selective oxidizer 27 to the heat exchanger 28 is heat-exchanged by air, and the heat-exchanged air passes through the pipe b27 to the pipe a8 upstream of the pipe b22. Discharged.

また、燃料電池システム１Ｃでは、空気の量が熱交換器２８を通って燃焼器２２に供給されるものだけでは不足する場合には、ブロア５１からの空気を増量して、ブロア５１からの空気の一部を配管ｂ２５，ｂ２６の経路も使って配管ａ８に供給して、水素オフガスと混合させる。   Further, in the fuel cell system 1C, when only the amount of air supplied to the combustor 22 through the heat exchanger 28 is insufficient, the air from the blower 51 is increased and the air from the blower 51 is increased. Is supplied to the pipe a8 using the paths of the pipes b25 and b26 and mixed with the hydrogen off-gas.

また、制御部１００によって流量調整弁５４を全閉にするとともに、流量調整弁５３を全開にすることにより、混合ガスが配管ｂ２２，ｂ２１を通って熱交換器２６に供給され、熱交換器２６において混合ガスと改質ガスとの間で熱交換が行われる。熱交換後の混合ガスは、配管ｂ２３を介して配管ａ９に排出され、燃焼器２２に供給される。また、流量調整弁５３，５４をそれぞれ所望の開度に調整して、配管ｂ２２の上流からの混合ガスの一部が熱交換器２６に供給され、残りがバイパス流路Ｌ４を通流するようにしてもよい。   Further, the control unit 100 fully closes the flow rate adjustment valve 54 and fully opens the flow rate adjustment valve 53, whereby the mixed gas is supplied to the heat exchanger 26 through the pipes b22 and b21. In this case, heat exchange is performed between the mixed gas and the reformed gas. The mixed gas after heat exchange is discharged to the pipe a <b> 9 through the pipe b <b> 23 and supplied to the combustor 22. Further, the flow rate adjusting valves 53 and 54 are respectively adjusted to desired opening degrees so that a part of the mixed gas from the upstream of the pipe b22 is supplied to the heat exchanger 26 and the rest flows through the bypass flow path L4. It may be.

また、燃料電池システム１Ｃでは、熱交換器２６を冷却する必要がない場合には、制御部１００によって流量調整弁５３を全閉にするとともに流量調整弁５４を開くことによって、混合ガスの全量が、熱交換器２６をバイパスするバイパス流路Ｌ４を通って燃焼器２２に供給される。   Further, in the fuel cell system 1C, when it is not necessary to cool the heat exchanger 26, the control unit 100 fully closes the flow rate adjustment valve 53 and opens the flow rate adjustment valve 54, whereby the total amount of the mixed gas is reduced. The gas is supplied to the combustor 22 through a bypass flow path L4 that bypasses the heat exchanger 26.

このような第３実施形態の燃料電池システム１Ｃは、改質ガス量が多い燃料電池システムに好適なものであり、前段のＣＯ選択酸化器２７で取り除ききれなかったＣＯ（一酸化炭素）を、次段のＣＯ選択酸化器２９で取り除くことができ、ＣＯ選択酸化器２９から排出されるＣＯ濃度を低く保つことができる。   Such a fuel cell system 1C of the third embodiment is suitable for a fuel cell system with a large amount of reformed gas, and CO (carbon monoxide) that could not be removed by the CO selective oxidizer 27 in the previous stage is used. The CO selective oxidizer 29 in the next stage can be removed, and the CO concentration discharged from the CO selective oxidizer 29 can be kept low.

また、第３実施形態では、水素オフガスや燃焼器２２に供給される前の空気を冷媒として熱交換器２６，２８に供給することで、改質器２３の負荷変動に対して追従性よくＣＯ選択酸化器２７，２９に導入される改質ガスの温度Ｔをコントロールできるようになり、改質ガスのＣＯ濃度を常に低く保つことができる。   In the third embodiment, the hydrogen off-gas or air before being supplied to the combustor 22 is supplied to the heat exchangers 26 and 28 as a refrigerant, so that CO 3 can follow the load fluctuation of the reformer 23 with good followability. The temperature T of the reformed gas introduced into the selective oxidizers 27 and 29 can be controlled, and the CO concentration of the reformed gas can always be kept low.

また、第３実施形態では、ＣＯ選択酸化器２７，２９に導入される改質ガスの温度Ｔを温度センサ１０１，１０２によって検出し、検出された温度Ｔに基づいて流量調整弁５２，５３，５４の開度を調整するので、各温度Ｔのコントロールをより適切に（高精度）に行うことができる。また、熱交換器２６，２８に水素オフガスや空気を導入することにより、水素オフガスや空気によって改質ガスから熱が回収され、回収した熱を後段に位置する燃焼器２２に供給して、蒸発器２１での原料ガスの昇温に利用できる。   In the third embodiment, the temperature T of the reformed gas introduced into the CO selective oxidizers 27 and 29 is detected by the temperature sensors 101 and 102, and the flow rate adjusting valves 52, 53, and Since the opening of 54 is adjusted, each temperature T can be controlled more appropriately (with high accuracy). Further, by introducing hydrogen off-gas or air into the heat exchangers 26 and 28, heat is recovered from the reformed gas by the hydrogen off-gas or air, and the recovered heat is supplied to the combustor 22 located at the subsequent stage to evaporate. This can be used for raising the temperature of the source gas in the vessel 21.

なお、燃料電池システム１Ｃでは、燃料電池システム１Ａと同様に、配管ｂ２６に流量調整弁（図示せず）を設けるようにしてもよい。また、燃料電池システム１Ｃでは、燃料電池システム１Ｂと同様に、ブロア５１をブロア４１と同様な位置に配置するとともに、バイパス流路Ｌ３に流量調整弁を配置して、水素オフガスと空気の混合ガスを、熱交換器２６，２８に導入するようにしてもよい。   In the fuel cell system 1C, a flow rate adjustment valve (not shown) may be provided in the pipe b26 as in the fuel cell system 1A. Further, in the fuel cell system 1C, as in the fuel cell system 1B, the blower 51 is disposed at the same position as the blower 41, and the flow rate adjusting valve is disposed in the bypass flow path L3, so that the mixed gas of hydrogen offgas and air May be introduced into the heat exchangers 26 and 28.

本発明は、前記した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、燃料電池１０から排出される水素オフガス（燃料オフガス）のみを流量調整弁を介して熱交換器２６に導入して温度Ｔをコントロールしてもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, only hydrogen off-gas (fuel off-gas) discharged from the fuel cell 10 is introduced into the heat exchanger 26 via the flow rate adjustment valve, and the temperature T May be controlled.

また、前記した実施形態では、流量調整弁３２，３３，４２，４３，５２，５３，５４を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、切替弁（ＯＮ／ＯＦＦ弁）により構成してもよい。   In the above-described embodiment, the flow rate adjusting valves 32, 33, 42, 43, 52, 53, and 54 have been described as examples. However, the present invention is not limited to this, and a switching valve (ON / OFF valve) is used. You may comprise by.

１Ａ〜１Ｃ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２２ 燃焼器（加熱器）
２３ 改質器
２６，２８ 熱交換器（温度調整部）
２７，２９ ＣＯ選択酸化器
３１，４１，５１ ブロア
３２，３３，４２，４３，５２，５３，５４ 流量調整弁
１００ 制御部
１０１，１０２ 温度センサ（温度検出手段）
Ｌ１〜Ｌ４ バイパス流路 1A to 1C Fuel cell system 10 Fuel cell 22 Combustor (heater)
23 Reformer 26, 28 Heat exchanger (temperature adjustment unit)
27, 29 CO selective oxidizer 31, 41, 51 Blower 32, 33, 42, 43, 52, 53, 54 Flow control valve 100 Control unit 101, 102 Temperature sensor (temperature detection means)
L1-L4 Bypass channel

Claims (9)

原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、
前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、
一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、
燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質器に導入する原燃料を加熱する加熱器を備え、
前記加熱器に供給する前の空気を前記温度調整部に冷媒として導入することを特徴とする燃料電池システム。 A reformer that reforms the raw fuel to produce a hydrogen-rich gas;
A CO selective oxidizer that reduces carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas by an oxidation reaction;
A temperature adjustment unit for adjusting the temperature to be suitable for the oxidation reaction of carbon monoxide;
In a fuel cell system comprising a fuel cell,
A heater for heating the raw fuel introduced into the reformer;
A fuel cell system, wherein air before being supplied to the heater is introduced into the temperature adjustment unit as a refrigerant. 原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、
前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、
一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、
燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを冷媒として前記温度調整部に弁を介して導入することを特徴とする燃料電池システム。 A reformer that reforms the raw fuel to produce a hydrogen-rich gas;
A CO selective oxidizer that reduces carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas by an oxidation reaction;
A temperature adjustment unit for adjusting the temperature to be suitable for the oxidation reaction of carbon monoxide;
In a fuel cell system comprising a fuel cell,
A fuel cell system, wherein a fuel off-gas discharged from the fuel cell is introduced as a refrigerant into the temperature adjusting unit via a valve. 原燃料を改質して水素リッチなガスを生成する改質器と、
前記水素リッチなガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減させるＣＯ選択酸化器と、
一酸化炭素の酸化反応に適する温度に調整する温度調整部と、
燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質器に導入する原燃料を加熱する加熱器を備え、
前記加熱器に供給する前の空気と前記燃料電池から排出される燃料オフガスとを混合した混合ガスを冷媒として前記温度調整部に導入することを特徴とする燃料電池システム。 A reformer that reforms the raw fuel to produce a hydrogen-rich gas;
A CO selective oxidizer that reduces carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas by an oxidation reaction;
A temperature adjustment unit for adjusting the temperature to be suitable for the oxidation reaction of carbon monoxide;
In a fuel cell system comprising a fuel cell,
A heater for heating the raw fuel introduced into the reformer;
A fuel cell system, wherein a mixed gas obtained by mixing air before being supplied to the heater and a fuel off-gas discharged from the fuel cell is introduced into the temperature adjusting unit as a refrigerant. 前記改質器は、オートサーマル方式であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the reformer is an autothermal system. 前記ＣＯ選択酸化器を複数備え、
前記温度調整部は、それぞれのＣＯ選択酸化器の前に設けられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 A plurality of the CO selective oxidizers;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature adjusting unit is provided in front of each CO selective oxidizer. 前記弁は、前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁であり、
前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、
前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項２，４，５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The valve is a flow rate adjusting valve that adjusts the flow rate of the refrigerant introduced into the temperature adjusting unit,
Temperature detecting means for detecting the temperature of the gas supplied to the CO selective oxidizer;
A control unit for controlling the flow rate regulating valve,
6. The fuel cell system according to claim 2, wherein an opening degree of the flow rate adjusting valve is controlled in accordance with a temperature detected by the temperature detecting means. 前記弁は、前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁であり、
前記温度調整部に冷媒を導入する冷媒導入流路と、
前記温度調整部をバイパスして下流に流すバイパス流路と、
前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、
前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項２，４，５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The valve is a flow rate adjusting valve that adjusts the flow rate of the refrigerant introduced into the temperature adjusting unit,
A refrigerant introduction flow path for introducing a refrigerant into the temperature adjustment unit;
A bypass flow path that bypasses the temperature adjustment section and flows downstream;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the gas supplied to the CO selective oxidizer;
A control unit for controlling the flow rate regulating valve,
6. The fuel cell system according to claim 2, wherein an opening degree of the flow rate adjusting valve is controlled in accordance with a temperature detected by the temperature detecting means. 前記温度調整部に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁と、
前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、
前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項１，３，４，５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 A flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of the refrigerant introduced into the temperature adjusting unit;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the gas supplied to the CO selective oxidizer;
A control unit for controlling the flow rate regulating valve,
The fuel cell system according to any one of claims 1, 3, 4, and 5, wherein an opening degree of the flow rate adjusting valve is controlled in accordance with a temperature detected by the temperature detecting means. 前記温度調整部に冷媒を導入する冷媒導入流路と、
前記冷媒導入流路に導入される冷媒の流量を調整する流量調整弁と、
前記温度調整部をバイパスして下流に流すバイパス流路と、
前記ＣＯ選択酸化器に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記流量調整弁を制御する制御部と、を備え、
前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項１，３，４，５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 A refrigerant introduction flow path for introducing a refrigerant into the temperature adjustment unit;
A flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of the refrigerant introduced into the refrigerant introduction flow path;
A bypass flow path that bypasses the temperature adjustment section and flows downstream;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the gas supplied to the CO selective oxidizer;
A control unit for controlling the flow rate regulating valve,
The fuel cell system according to any one of claims 1, 3, 4, and 5, wherein an opening degree of the flow rate adjusting valve is controlled in accordance with a temperature detected by the temperature detecting means.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019054249A1 (en) * 2017-09-13 2019-03-21 株式会社豊田自動織機 Fuel cell system

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