JP2013168299A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムは、水素及び酸素を用いて発電するシステムである。 A fuel cell system is a system that generates power using hydrogen and oxygen.
水素生成装置は、天然ガス、都市ガス、LNG等に例示される原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成し、燃料電池に供給する。 The hydrogen generator generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using raw materials exemplified by natural gas, city gas, LNG and the like, and supplies the hydrogen-containing gas to the fuel cell.
ここで、起動時に改質器で水素含有ガスが生成されるまでの間、水素吸蔵合金を充填した水素タンクより水添脱硫器に流入する原料に水素を添加する水素生成装置を備える燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Here, a fuel cell system provided with a hydrogen generator for adding hydrogen to a raw material flowing into a hydrodesulfurizer from a hydrogen tank filled with a hydrogen storage alloy until a hydrogen-containing gas is generated at the reformer at start-up Has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
上記従来の燃料電池システムでは、改質器で生成した水素含有ガスを燃料電池に供給可能な状態になるまでの間、燃料電池の発電が開始されないが、その点について検討されていない。 In the conventional fuel cell system, power generation of the fuel cell is not started until the hydrogen-containing gas generated by the reformer is ready to be supplied to the fuel cell, but this point has not been studied.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、従来よりも起動性が向上する燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system in which startability is improved as compared with the conventional art.
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に供給される原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、水素源と、前記水添脱硫器に流入する前の原料に前記水素源より供給される水素が流れる第1の流路と、前記第1の流路に設けられた第1の開閉弁と、前記燃料電池のアノードガス流路に前記水素源より供給される水素が流れる第2の流路と、前記第2の流路に設けられた第2の開閉弁と、起動時に前記第1の開閉弁と前記第2の開閉弁とを共に開放する制御器とを備える。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention removes a sulfur compound in a reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using a raw material and the raw material supplied to the reformer. A hydrodesulfurizer, a fuel cell that generates electricity using a hydrogen-containing gas, a hydrogen source, and a first flow path through which hydrogen supplied from the hydrogen source flows to a raw material before flowing into the hydrodesulfurizer A first on-off valve provided in the first flow path, a second flow path through which hydrogen supplied from the hydrogen source flows into the anode gas flow path of the fuel cell, and the second flow A second on-off valve provided on the road; and a controller that opens both the first on-off valve and the second on-off valve when activated.
本発明の燃料電池システムは、従来よりも起動性が向上する燃料電池システムを提供し得る。 The fuel cell system of the present invention can provide a fuel cell system with improved startability than the conventional one.
(第1実施形態)
第1実施形態の燃料電池システムは、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器に供給される原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、水素源と、水添脱硫器に流入する前の原料に水素源より供給される水素が流れる第1の流路と、第1の流路に設けられた第1の開閉弁と、燃料電池のアノードガス流路に水素源より供給される水素が流れる第2の流路と、第2の流路に設けられた第2の開閉弁と、起動時に第1の開閉弁と第2の開閉弁とを共に開放する制御器とを備える。
(First embodiment)
The fuel cell system of the first embodiment includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using a raw material, a hydrodesulfurizer that removes sulfur compounds in the raw material supplied to the reformer, A fuel cell that generates electricity using a hydrogen-containing gas, a hydrogen source, a first channel through which hydrogen supplied from the hydrogen source flows to the raw material before flowing into the hydrodesulfurizer, and a first channel A first on-off valve formed, a second passage through which hydrogen supplied from a hydrogen source flows into the anode gas passage of the fuel cell, a second on-off valve provided in the second passage, and activation And a controller for opening both the first on-off valve and the second on-off valve.
上記構成により、改質器で生成した水素含有ガスを燃料電池に供給可能になるまでの間においても燃料電池で発電が出来る。従って、本実施形態の燃料電池システムは、従来よりも起動性が向上する。また、本実施形態の燃料電池システムは、改質器で水素含有ガスの生成が開始されてから初めて、この水素含有ガスの一部を原料に添加するシステムに比べ、水素が添加されていない原料を、水添脱硫器に供給される時間が短くなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは、改質触媒の硫黄被毒が低減できる。また、水素の添加がなくても硫黄化合物を物理吸着可能な水添脱硫剤(例えば、CuZn系水添脱硫剤)を使用した場合に、本実施形態の燃料電池システムであれば、物理吸着により消費される脱硫剤量が減少し、水添脱硫剤の容量を低減し得る。
[装置構成]
図1は、第1実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
With the above configuration, power can be generated by the fuel cell until the hydrogen-containing gas generated by the reformer can be supplied to the fuel cell. Therefore, the startability of the fuel cell system of this embodiment is improved as compared with the conventional case. In addition, the fuel cell system according to the present embodiment is a raw material to which hydrogen is not added compared to a system in which a part of the hydrogen-containing gas is added to the raw material for the first time after generation of the hydrogen-containing gas is started in the reformer. Is supplied to the hydrodesulfurizer in a shorter time. Therefore, the fuel cell system of this embodiment can reduce sulfur poisoning of the reforming catalyst. Further, when a hydrodesulfurization agent (for example, a CuZn-based hydrodesulfurization agent) that can physically adsorb a sulfur compound without adding hydrogen is used, the fuel cell system of this embodiment can perform physical adsorption. The amount of desulfurizing agent consumed can be reduced and the capacity of the hydrodesulfurizing agent can be reduced.
[Device configuration]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a schematic configuration of the fuel cell system according to the first embodiment.
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム100は、第1の開閉弁1、第2の開閉弁2、第1の流路5、第2の流路6、水素源7、水添脱硫器8、改質器9、燃料電池10、及び制御器11を備える。
As shown in FIG. 1, the
改質器9は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器9において、原料が改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。図1には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置には、さらに、改質器に空気を供給する空気供給器(図示せず)が設けられる。なお、原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、LPG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ガスである。
The
水添脱硫器8は、改質器9に供給される原料中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器8は、容器に水添脱硫剤が充填され構成される。水添脱硫剤は、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するCuZn系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するCoMo系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるZnO系触媒、またはCuZn系触媒とで構成してもよい。
The
燃料電池10は、水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池としては、いずれの種類であっても良く、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。
The
水素源7は、水素を供給可能であれば、その形態は任意である。具体的には、水素源7として、水素ボンベ、水素貯蔵合金を収納した容器、水の光分解を利用した水素発生器、嫌気性及び好気性水素発生微生物を備えた水素発生器等が例示される。なお、水素源7の水素濃度は、任意である。
The form of the
第1の流路5には、水添脱硫器8に流入する前の原料に水素源7より供給される水素が流れる。
In the
第2の流路6には、燃料電池10のアノードガス流路に水素源7より供給される水素が流れる。
In the
第1の開閉弁1は、第1の流路5に設けられている。第1の開閉弁1は、第1の流路5を開閉可能であれば、その形態は任意である。
The first on-off
第2の開閉弁2は、第2の流路6に設けられている。第2の開閉弁2は、第2の流路6を開閉可能であれば、その形態は任意である。
The second on-off
制御器11は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部としては、MPU、CPUが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
[動作]
図2は、第1実施形態の燃料電池システム100の動作の一例を示すフロー図である。
The controller 11 only needs to have a control function, and includes an arithmetic processing unit (not shown) and a storage unit (not shown) that stores a control program. Examples of the arithmetic processing unit include an MPU and a CPU. An example of the storage unit is a memory. The controller may be composed of a single controller that performs centralized control, or may be composed of a plurality of controllers that perform distributed control in cooperation with each other.
[Operation]
FIG. 2 is a flowchart showing an example of the operation of the
図2に示すように、本実施形態の燃料電池システム100において、起動時に、制御器11は、第2の開閉弁2を開放し(ステップS1)、その後、燃料電池10の発電を開始する(ステップS2)。具体的には、制御器11が、図示されない電力変換器を制御して、燃料電池10より電力を取り出す。
As shown in FIG. 2, in the
次に、制御器11は、第1の開閉弁1を開放した後(ステップS3A)、改質器9に原料の供給を開始する(ステップS4)。具体的には、制御器11が、図示されない原料供給器を動作させて、改質器9への原料の供給を開始する。
Next, after opening the first on-off valve 1 (step S3A), the controller 11 starts to supply the raw material to the reformer 9 (step S4). Specifically, the controller 11 operates a raw material supply device (not shown) to start supplying the raw material to the
なお、上記フローにおいて、燃料電池システム100では、燃料電池10の発電が開始した後、改質器9への原料の供給が開始されているが、そのタイミングは、同時であってもよいし、逆であってもよい。
In the above flow, in the
つまり、燃料電池システム100の起動時において、第1の開閉弁と第2の開閉弁とが共に開放され、水添脱硫器8及び燃料電池10のそれぞれに水素源7より水素が供給されれば、ステップS1〜S4までの各ステップを実行するタイミングは任意である。
(第2実施形態)
第2実施形態の燃料電池システムは、第1実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池に流入する前の水素含有ガスの一部を水添脱硫器に流入する原料に供給するためのリサイクル流路と、リサイクル流路に設けられた第3の開閉弁とを備え、起動時に、制御器は、第1の開閉弁、及び第2の開閉弁を共に開放するとともに、第3の開閉弁を閉止する。
That is, when the
(Second Embodiment)
The fuel cell system according to the second embodiment is a recycle channel for supplying a part of the hydrogen-containing gas before flowing into the fuel cell to the raw material flowing into the hydrodesulfurizer in the fuel cell system according to the first embodiment. And a third on-off valve provided in the recycle channel, and at the time of start-up, the controller opens both the first on-off valve and the second on-off valve and closes the third on-off valve To do.
上記構成により、第1実施形態と同様に燃料電池の起動時に水素源から水素を供給し、起動時間を短縮、改質触媒の被毒を低減できる効果を得る。さらに、上記構成により、改質器で水素に十分に転化されていない原料リッチなガスが水添脱硫器に流入する原料に添加されることで、水素源からの水素の添加量が低減することが抑制される。従って、本実施形態の燃料電池システムは、第3の開閉弁を閉止しない燃料電池システムに比べ、改質触媒の劣化を抑制し得る。 With the above configuration, as in the first embodiment, hydrogen is supplied from the hydrogen source when the fuel cell is started, so that the start-up time can be shortened and poisoning of the reforming catalyst can be reduced. Furthermore, with the above configuration, the amount of hydrogen added from the hydrogen source is reduced by adding the raw material rich gas that has not been sufficiently converted to hydrogen in the reformer to the raw material flowing into the hydrodesulfurizer. Is suppressed. Therefore, the fuel cell system of this embodiment can suppress the deterioration of the reforming catalyst as compared with the fuel cell system that does not close the third on-off valve.
本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第1実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
[装置構成]
図3は、第2実施形態にかかる燃料電池システム100の概略構成の一例を示す模式図である。
The fuel cell system of the present embodiment may be configured in the same manner as the fuel cell system of the first embodiment except for the above features.
[Device configuration]
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of a schematic configuration of the
図3に示すように、本実施形態の燃料電池システム100は、第3の開閉弁3及びリサイクル流路13を備える。
As shown in FIG. 3, the
リサイクル流路13は、燃料電池10に流入する前の水素含有ガスの一部を水添脱硫器8に流入する原料に供給する流路である。
The
第3の開閉弁3は、リサイクル流路13に設けられている。第3の開閉弁3は、リサイクル流路13を開閉可能であれば、その形態は任意である。
The third on-off
上記以外で図1と同様の符号を付しているものは、第1実施形態の燃料電池システムとその構成が同様であるので、説明を省略する。
[動作]
図4は、本実施形態の燃料電池システム100の動作の一例を示すフロー図である。
Other than those described above, the components denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 have the same configuration as the fuel cell system of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
[Operation]
FIG. 4 is a flowchart showing an example of the operation of the
図4に示すように、本実施形態の燃料電池システム100において、制御器11は、ステップS2で燃料電池10の発電を開始した後、第1の開閉弁1を開放するとともに第3の開閉弁3を閉止し(ステップS3B)、改質器9への原料の供給を開始する(ステップS4)。
As shown in FIG. 4, in the
本実施形態の燃料電池システム100は、上記ステップ3B以外のステップについては、第1実施形態と同様に動作されるので、その説明を省略する。
(第3実施形態)
第3実施形態の燃料電池システムは、第2実施形態の燃料電池システムにおいて、改質器を加熱する燃焼器と、燃料電池をバイパスして、水素含有ガスを燃焼器に供給するためのバイパス流路と、バイパス流路に設けられた第4の開閉弁とを備え、起動時に、制御器は、第1の開閉弁、第2の開閉弁及び第4の開閉弁を共に開放するとともに、第3の開閉弁を閉止する。
The
(Third embodiment)
The fuel cell system according to the third embodiment is the same as the fuel cell system according to the second embodiment, but includes a combustor that heats the reformer and a bypass flow that bypasses the fuel cell and supplies hydrogen-containing gas to the combustor. And a fourth on-off valve provided in the bypass flow path, and at the time of activation, the controller opens both the first on-off valve, the second on-off valve, and the fourth on-off valve, and Close the open /
上記構成により、第3の開閉弁を閉止した状態で第4の開閉弁が開放されるので、改質器9を通過した可燃性ガスの一部がリサイクル流路に流入することなく、燃焼器に流入し、燃焼される。従って、本実施形態の燃料電池システムは、第2実施形態の燃料電池システムで得られる効果に加え、第3の開閉弁を閉止しない燃料電池システムに比べ、改質器の昇温が促進され、システムの起動性が向上するという効果が得られる。
With the above configuration, since the fourth on-off valve is opened while the third on-off valve is closed, a part of the combustible gas that has passed through the
本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第2実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
[装置構成]
図5は、第3実施形態にかかる燃料電池システム100の概略構成の一例を示す模式図である。
The fuel cell system of the present embodiment may be configured in the same manner as the fuel cell system of the second embodiment except for the above features.
[Device configuration]
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of a schematic configuration of the
図5に示すように、本実施形態の燃料電池システム100は、第4の開閉弁4、燃焼器12及びバイパス流路14を備える。
As shown in FIG. 5, the
燃焼器12は、改質器9を加熱する。燃焼器12の燃料は、いずれの燃料であってもよいが、例えば、燃料電池10または改質器9より排出される水素含有ガスが用いられる。
The combustor 12 heats the
バイパス流路14は、燃料電池10をバイパスして、水素含有ガスを燃焼器12に供給する流路である。
The
第4の開閉弁4は、バイパス流路14に設けられている。第4の開閉弁4は、バイパス流路14を開閉可能であれば、その形態は任意である。
[動作]
図6は、第3実施形態の燃料電池システムの動作の一例を説明するフロー図である。
The fourth on-off
[Operation]
FIG. 6 is a flowchart for explaining an example of the operation of the fuel cell system according to the third embodiment.
図6に示すように、本実施形態の燃料電池システム100において、制御器11は、ステップS2で燃料電池10の発電を開始した後、第1の開閉弁1、第2の開閉弁2及び第4の開閉弁4を共に開放するとともに、第3の開閉弁3を閉止し(ステップS3C)、改質器9への原料の供給を開始する(ステップS4)。
As shown in FIG. 6, in the
なお、ステップ3Cで第1の開閉弁1、第2の開閉弁2及び第4の開閉弁4のそれぞれを開放するタイミング、第3の開閉弁3を閉止するタイミングは、同時であってもよいし、相前後してもよい。つまり、燃料電池システム100の起動時において、第1の開閉弁1、第2の開閉弁2及び第4の開閉弁4を共に開放するとともに、第3の開閉弁3を閉止されれば、これらの開閉弁の開閉タイミングは、任意である。
In addition, the timing which opens each of the 1st on-off
本実施形態の燃料電池システム100は、上記ステップ3C以外のステップについては、第2実施形態と同様に動作されるので、その説明を省略する。
The
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
本発明の燃料電池システムは、従来よりも起動性が向上するので燃料電池システムとして有用である。 The fuel cell system of the present invention is useful as a fuel cell system because the startability is improved as compared with the conventional fuel cell system.
1 第1の開閉弁
2 第2の開閉弁
3 第3の開閉弁
4 第4の開閉弁
5 第1の流路
6 第2の流路
7 水素源
8 水添脱硫器
9 改質器
10 燃料電池
11 制御器
12 燃焼器
13 リサイクル流路
14 バイパス流路
100 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2012031278A JP2013168299A (en) | 2012-02-16 | 2012-02-16 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2012031278A JP2013168299A (en) | 2012-02-16 | 2012-02-16 | Fuel cell system |
Publications (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015125450A1 (en) * | 2014-02-18 | 2015-08-27 | パナソニック株式会社 | Fuel cell system |
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2012
- 2012-02-16 JP JP2012031278A patent/JP2013168299A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015125450A1 (en) * | 2014-02-18 | 2015-08-27 | パナソニック株式会社 | Fuel cell system |
JP5886485B2 (en) * | 2014-02-18 | 2016-03-16 | パナソニック株式会社 | Fuel cell system |
US10014536B2 (en) | 2014-02-18 | 2018-07-03 | Panasonic Corporation | Fuel cell system |
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