JP2013242964A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system that keeps heat balance of a hydrogen generator, maintains reacting sections of the hydrogen generator at predetermined temperatures, and thus continues to operate stably.SOLUTION: A fuel cell system includes a fuel cell 2, a hydrogen generator 3, a burner section 3e, air supply means, and a cooling air path. The hydrogen generator 3 has: a reforming section 3a; and a carbon monoxide reduction section that reduces carbon monoxide in fuel gas produced in the reforming section 3a. The burner section 3e burns combustion gas, and heats the reforming section 3a. The air supply means supplies air to at least one of the fuel cell 2 and the burner section 3e through an air supply path. The cooling air path branches off from the air supply path, and circulates part of air supplied by the air supply means around at least one of the reforming section 3a and the carbon monoxide reduction section. The flow rate of air circulating through the cooling air path is adjusted so as to maintain reacting sections of the hydrogen generator 3 at predetermined temperatures.

Description

本発明は、炭化水素系の原料を改質して生成された燃料ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity by supplying a fuel gas generated by reforming a hydrocarbon-based raw material to a fuel cell.

燃料電池は、電解質を挟持した電極の一方に水素や水素リッチガスを供給し（以下、水素リッチガスを供給する方をアノード側と称す）、他方に酸素を含んだ空気などの酸化剤ガスを供給して（以下、酸化剤ガスを供給する方をカソード側と称す）、電気化学反応によって発電を行うものである。   A fuel cell supplies hydrogen or a hydrogen-rich gas to one of the electrodes that sandwich the electrolyte (hereinafter, the one that supplies the hydrogen-rich gas is referred to as the anode side), and supplies an oxidant gas such as oxygen-containing air to the other. (Hereinafter, the direction of supplying the oxidant gas is referred to as the cathode side), and power is generated by an electrochemical reaction.

燃料電池が発電する際には、電力と同時に熱が発生するが、燃料電池で発電した電力とともに、この熱を回収して熱エネルギーとして利用するコージェネレーションシステムが近年、燃料電池システムとして注目されている。   When a fuel cell generates electricity, heat is generated at the same time as the electric power. A cogeneration system that collects this heat and uses it as heat energy together with the electric power generated by the fuel cell has recently attracted attention as a fuel cell system. Yes.

燃料電池の発電に必要な水素リッチガス（以下、燃料ガスと称す）を生成する方法の一つとして、燃料電池システムでは都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の原料ガスやメタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を水蒸気とともに導入して改質する改質部を有する水素生成器を備えたものが一般的である。   As one of the methods for generating hydrogen-rich gas (hereinafter referred to as fuel gas) necessary for power generation of a fuel cell, a fuel cell system uses a hydrocarbon-based raw material gas such as city gas or LPG, or a liquid such as methanol or kerosene. Generally, a hydrogen generator having a reforming section for reforming by introducing a hydrocarbon-based raw material together with steam is generally used.

また、燃料電池は電気化学反応を促進するために電極に触媒を有しており、この触媒は一酸化炭素により被毒して性能が低下する性質を有していることが多い。そのため、水素生成器には、炭化水素系の原料を改質部で改質して燃料ガスを生成した後、この燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減するための一酸化炭素低減部をさらに備えているものが一般的である。   In addition, the fuel cell has a catalyst on the electrode in order to promote the electrochemical reaction, and this catalyst is often poisoned by carbon monoxide and has a property of lowering the performance. For this reason, the hydrogen generator further includes a carbon monoxide reducing section for reducing the carbon monoxide concentration in the fuel gas after reforming the hydrocarbon-based raw material in the reforming section to generate the fuel gas. What you have is common.

一酸化炭素低減部の一例としては、改質部で生成したガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応で低減するための変成触媒を有する変成部と、この変成部から送出される燃料ガス中の一酸化炭素を、別途供給した空気中の酸素によって酸化する選択酸化触媒を有する選択酸化部とを順次備えたものがある。   As an example of the carbon monoxide reduction unit, a shift unit having a shift catalyst for reducing carbon monoxide in the gas generated in the reforming unit by a water gas shift reaction, and a fuel gas sent from the shift unit Some have a selective oxidation section having a selective oxidation catalyst that sequentially oxidizes carbon monoxide with oxygen in air supplied separately.

また、水素生成器には燃焼用ガスを燃焼させて改質部を加熱する燃焼部が備えられている。ここで燃焼用ガスとは、燃焼部で燃焼に利用するガスであり、原料ガス（液体の炭化水素系原料の場合は気化させたもの）や燃料ガス、さらには燃料電池で発電に利用されなかった水素を含むガス（以下、オフガスと称す）のことを指す。また、燃焼部には燃焼用ガスを導入する燃焼用ガス経路の他に、燃焼空気を導入するための燃焼空気経路が接続されており、燃焼空気ファン等の送風機によって燃焼用ガスの流量に応じた空気が燃焼部に供給されるようになっている。   Further, the hydrogen generator is provided with a combustion section that burns combustion gas and heats the reforming section. Here, the combustion gas is a gas that is used for combustion in the combustion section, and is not used for power generation in a raw material gas (vaporized in the case of a liquid hydrocarbon-based raw material) or fuel gas, and further in a fuel cell. A gas containing hydrogen (hereinafter referred to as off-gas). In addition to the combustion gas path for introducing combustion gas, a combustion air path for introducing combustion air is connected to the combustion section. Depending on the flow rate of the combustion gas by a blower such as a combustion air fan, etc. Air is supplied to the combustion section.

水素生成器で燃料ガスを生成する際には、改質部に炭化水素系原料と水とを導入し、燃焼部で燃焼用ガスを燃焼させることにより７００℃程度に加熱して、吸熱反応である改質反応に必要な熱を供給して改質反応を進行させる。このとき一酸化炭素が１０％程度発生するので、下流の一酸化炭素低減部で一酸化炭素濃度を低減させる。一酸化炭素低減部では、まず変成部で触媒温度を２００℃〜３００℃程度に制御して発熱反応を伴いながら水性ガスシフト反応を進行させ、一酸化炭素濃度を０．５％以下程度にまで低減させる。さらに選択酸化部では１００℃〜２００℃程度に触媒温度を制御して、少量の空気を導入して一酸化炭素を触媒上で発熱反応を伴いながら酸化反応させて、その濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する。その結果、水素生成器の出口では、水素濃度７０％〜７５％程度
の水素含有ガスが得られ、これが燃料ガスとして燃料電池のアノード側に供給されることになる。 When the fuel gas is generated by the hydrogen generator, a hydrocarbon-based raw material and water are introduced into the reforming section, and the combustion gas is burned in the combustion section to be heated to about 700 ° C. Heat required for a certain reforming reaction is supplied to advance the reforming reaction. Since about 10% of carbon monoxide is generated at this time, the carbon monoxide concentration is reduced in the downstream carbon monoxide reduction unit. In the carbon monoxide reduction part, first, the catalyst temperature is controlled to about 200 ° C. to 300 ° C. in the shift part to proceed the water gas shift reaction with an exothermic reaction, and the carbon monoxide concentration is reduced to about 0.5% or less. Let Furthermore, in the selective oxidation unit, the catalyst temperature is controlled to about 100 ° C. to 200 ° C., a small amount of air is introduced, and carbon monoxide is oxidized on the catalyst with an exothermic reaction, and the concentration is reduced to about 10 ppm or less. To reduce. As a result, a hydrogen-containing gas having a hydrogen concentration of about 70% to 75% is obtained at the outlet of the hydrogen generator, and this is supplied as fuel gas to the anode side of the fuel cell.

また、燃料電池システムでは、燃料電池のカソード側には空気ブロワ等の送風機によって酸化剤ガスとして空気が供給されるようになっている（以下、適宜、カソード空気と称す）。   In the fuel cell system, air is supplied to the cathode side of the fuel cell as an oxidant gas by a blower such as an air blower (hereinafter referred to as “cathode air” as appropriate).

また、燃料電池システムは、大きさが小さくて設置性が優れていること、使用されるデバイスが少なく、構成が簡素化されて低コスト化されていることが望まれている。よって燃料電池システムに搭載される水素生成器は、大きさがコンパクトであること、低コストであること、改質効率が高いこと、操作・制御が容易であること、耐久性が高いこと、等々の要求を最大限満たすことが、燃料電池システムの小型化による設置性の向上や低コスト化の観点で重要である。これらの観点から、改質部および加熱部、一酸化炭素低減部をコンパクトに一体化した改質システムの開発が行われている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。   In addition, the fuel cell system is desired to be small in size and excellent in installation property, to be used in a small number of devices, and to be simplified in structure and reduced in cost. Therefore, the hydrogen generator installed in the fuel cell system is compact in size, low cost, high reforming efficiency, easy operation and control, high durability, etc. It is important from the viewpoint of improving the installation property and reducing the cost by downsizing the fuel cell system. From these viewpoints, a reforming system in which a reforming unit, a heating unit, and a carbon monoxide reduction unit are integrated in a compact manner has been developed (see, for example, Patent Document 1 or Patent Document 2).

図９は、特許文献１に記載された従来の水素生成器の主要部の断面図である。   FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part of a conventional hydrogen generator described in Patent Document 1.

図９に示すように、水素生成器１００は改質部１００ａを加熱する燃焼部１００ｅを中心に同心円状に流路を形成し、両端部で折り返し部を設けて流路を連通させ、流路の内側から順に、改質触媒を充填した改質部１００ａ、変成触媒を充填した変成部１００ｂ、選択酸化触媒を充填した選択酸化部１００ｃを設けている。   As shown in FIG. 9, the hydrogen generator 100 forms a flow path concentrically around the combustion section 100e that heats the reforming section 100a, and provides a folded portion at both ends to communicate the flow path. The reforming section 100a filled with the reforming catalyst, the shift section 100b filled with the shift catalyst, and the selective oxidation section 100c filled with the selective oxidation catalyst are provided in this order from the inside.

そして、水素生成器１００には、燃焼部１００ｅに燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス経路１０１と、燃焼空気ファン１０２によって燃焼空気を燃焼部１００ｅに供給する燃焼空気経路１０３と、変成部１００ｂの下流側で選択酸化部１００ｃの上流側に選択酸化触媒で酸化反応を行なわせるための選択酸化空気を供給するための選択酸化空気経路１０４と、改質部１００ａの上流側に原料と水とを供給するための原料導入経路１０５とが設けられている。   The hydrogen generator 100 includes a combustion gas path 101 for supplying combustion gas to the combustion section 100e, a combustion air path 103 for supplying combustion air to the combustion section 100e by a combustion air fan 102, and a shift section 100b. On the downstream side, the selective oxidation air path 104 for supplying the selective oxidation air for performing the oxidation reaction with the selective oxidation catalyst to the upstream side of the selective oxidation unit 100c, and the raw material and water on the upstream side of the reforming unit 100a A raw material introduction path 105 for supply is provided.

さらに、選択酸化部１００ｃの下流側には、選択酸化部１００ｃで一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスが排出される燃料ガス出口１０６が設けられており、この先にこの燃料ガスを利用して発電する燃料電池が接続される。   Further, on the downstream side of the selective oxidation unit 100c, there is provided a fuel gas outlet 106 from which the fuel gas whose carbon monoxide concentration has been reduced by the selective oxidation unit 100c is discharged. A fuel cell is connected.

特開２００４−１７１８９２号公報JP 2004-171892 A 特開２００７−３３１９５１号公報JP 2007-331951 A

しかしながら、上記従来の水素生成器を搭載した燃料電池システムでは、以下のような課題があった。   However, the fuel cell system equipped with the conventional hydrogen generator has the following problems.

すなわち、水素生成に関わる各反応部を集積した一体型水素生成器においては、それぞれの反応部における吸熱・発熱分に相当する熱を、反応部あるいは流路の壁面等を利用して効果的に熱交換させることによって、それぞれの反応部での反応に適切な温度を維持するようにして、水素生成器としての機能を発揮させるとともに、外部へ放散する熱を極力小さくして改質効率および燃料電池システムの効率を高くすることを目指した構成設計を行う。   In other words, in an integrated hydrogen generator that integrates each reaction unit involved in hydrogen generation, heat corresponding to the endothermic and exothermic components in each reaction unit is effectively utilized using the reaction unit or the wall surface of the flow path. By carrying out heat exchange, the temperature suitable for the reaction in each reaction section is maintained, so that the function as a hydrogen generator is exhibited, and the heat dissipated to the outside is reduced as much as possible to improve the reforming efficiency and fuel The design of the structure is aimed at increasing the efficiency of the battery system.

このような水素生成器においては、吸熱反応を伴う改質部には、改質反応に必要な熱が燃焼部から供給される。一方、発熱反応を伴う一酸化炭素低減部の変成部と選択酸化部とは、周囲の構造体の伝熱量を調整することにより、変成部と選択酸化部とが所定の温度を保つように設計されている。その結果、水素生成器全体が熱的にバランスして、各反応部を目的の温度に維持することが可能となる。   In such a hydrogen generator, heat required for the reforming reaction is supplied from the combustion section to the reforming section that involves an endothermic reaction. On the other hand, the transformation part and selective oxidation part of the carbon monoxide reduction part with exothermic reaction are designed so that the transformation part and the selective oxidation part maintain a predetermined temperature by adjusting the heat transfer amount of the surrounding structure. Has been. As a result, the entire hydrogen generator is thermally balanced and each reaction section can be maintained at a target temperature.

しかしながら、水素発生器の各触媒や筐体などの構成要素や、原料、水、空気などの入力条件の何れかが変化した場合、全体の熱バランスが崩れて各反応部の温度が、各反応を行うのに適した温度からずれてしまい、水素生成器としての機能を保てなくなることがある。具体的には、例えば、燃料電池システムに供給する原料の種類が変化すると、燃料電池が発電するのに必要な水素の量を含む燃料ガスを生成するために水素生成器に供給する原料と水との比率が変化し、また、水素生成器で生成した燃料ガス中のガス組成が変化して、水素生成器の各反応部において熱バランスする各反応部の温度が変化したり、熱バランスしなくなったりするために、原料の種類ごとに改質部や一酸化炭素低減部を構成する構造体の伝熱量を調整する構成設計が必要であるという課題があった。   However, if any of the components of the hydrogen generator, such as the catalyst or casing, or input conditions such as raw materials, water, or air change, the overall heat balance will be lost and the temperature of each reaction section will The temperature may deviate from a temperature suitable for performing hydrogenation, and the function as a hydrogen generator may not be maintained. Specifically, for example, when the type of raw material supplied to the fuel cell system changes, the raw material and water supplied to the hydrogen generator to generate fuel gas containing the amount of hydrogen necessary for the fuel cell to generate electricity. And the gas composition in the fuel gas produced by the hydrogen generator changes, so that the temperature of each reaction section that is in thermal balance in each reaction section of the hydrogen generator changes or heat balance occurs. Therefore, there has been a problem that a structural design for adjusting the heat transfer amount of the structure constituting the reforming section and the carbon monoxide reduction section is required for each type of raw material.

また、上記課題を解決するために、水素生成器の熱バランスを維持するための、例えば一酸化炭素低減部を冷却する冷却用の送風機を別途設けるなど、熱バランス維持用のデバイスを燃料電池システムに追加すると、燃料電池システムが大型化したり、コストが増大したりすることになるという課題が新たに発生していた。   Further, in order to solve the above problems, a device for maintaining the thermal balance, such as a separate cooling fan for cooling the carbon monoxide reduction unit, is provided to maintain the thermal balance of the hydrogen generator. If it adds to, the subject that a fuel cell system will enlarge and cost will newly generate | occur | produced.

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの大型化・コストの増加につながることなく、また、水素発生器における効率的な燃料ガス生成を損なうことなく、改質部と一酸化炭素低減部とを所定の温度に維持し、水素発生器の熱バランスを容易にコントロールでき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-mentioned conventional problems, and does not lead to an increase in size and cost of the fuel cell system, and without impairing efficient fuel gas generation in the hydrogen generator. An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the carbon monoxide reduction unit is maintained at a predetermined temperature and the heat balance of the hydrogen generator can be easily controlled.

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、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素低減部とを有する水素生成器と、燃焼用ガスを燃焼させ前記改質部を加熱する燃焼部と、前記燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方に空気供給経路を介して空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給経路から分岐して前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の周囲に前記空気供給手段で供給する空気の一部を流通させる冷却空気経路とを備えたものである。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power using fuel gas and air, a reforming unit that generates hydrogen-rich fuel gas from raw material and water, and the modification. A hydrogen generator having a carbon monoxide reducing section for reducing the carbon monoxide concentration in the fuel gas produced in the mass section, a combustion section for burning the combustion gas and heating the reforming section, the fuel cell, and An air supply means for supplying air to at least one of the combustion sections via an air supply path; and at least one of the reforming section and the carbon monoxide reduction section branched from the air supply path And a cooling air passage through which a part of the air supplied by the air supply means is circulated.

この構成にすることによって、燃料電池システムに新たなデバイスを追加することなく、冷却空気経路を流通する空気が改質部及び一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方を冷却することができるため、比較的容易に改質部、一酸化炭素低減部の温度を所定の温度に保つよう構成設計することができる。   By adopting this configuration, the air flowing through the cooling air path can cool at least one of the reforming unit and the carbon monoxide reduction unit without adding a new device to the fuel cell system. It is possible to design the structure so that the temperature of the reforming section and the carbon monoxide reduction section is maintained at a predetermined temperature relatively easily.

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムに新たにデバイスを追加してコストが上昇することや燃料電池システムが大型化することなく、燃料電池システムが水素生成器の改質部と一酸化炭素低減部の温度を所定の温度に維持し、水素生成器の熱バランスを容易にコントロールすることができる燃料電池システムを提供することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, a new device is added to the fuel cell system so that the cost does not increase and the fuel cell system does not increase in size. It is possible to provide a fuel cell system capable of maintaining the temperature of the carbon oxide reduction unit at a predetermined temperature and easily controlling the heat balance of the hydrogen generator.

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの主要部の構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of the main part of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 同実施の形態１における水素生成器の主要部縦断面図Main part longitudinal cross-sectional view of the hydrogen generator in Embodiment 1 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの主要部の構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of the main part of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. 同実施の形態２における水素生成器の主要部縦断面図Main part longitudinal cross-sectional view of the hydrogen generator in Embodiment 2 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの主要部の構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of the main part of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention. 同実施の形態３における水素生成器の主要部縦断面図Main part longitudinal cross-sectional view of the hydrogen generator in Embodiment 3 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの主要部の構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of the main part of the fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施の形態５における燃料電池システムの主要部の構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of the main part of the fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention. 従来の水素生成器の主要部の断面図Cross section of the main part of a conventional hydrogen generator

第１の発明は、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素低減部とを有する水素生成器と、燃焼用ガスを燃焼させ前記改質部を加熱する燃焼部と、前記燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方に空気供給経路を介して空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給経路から分岐して前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の周囲に前記空気供給手段で供給する空気の一部を流通させる冷却空気経路とを備えた燃料電池システムである。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell that generates power using fuel gas and air, a reforming section that generates hydrogen-rich fuel gas from raw material and water, and a fuel gas generated in the reforming section. A hydrogen generator having a carbon monoxide reduction unit for reducing the carbon oxide concentration, a combustion unit for burning combustion gas and heating the reforming unit, and air in at least one of the fuel cell and the combustion unit Air supply means for supplying air via a supply path; and air supplied from the air supply means to the periphery of at least one of the reforming section and the carbon monoxide reduction section branched from the air supply path. A fuel cell system including a cooling air passage through which a part is circulated.

これにより、冷却空気経路に空気を流通させることで改質部あるいは一酸化炭素低減部を冷却することが可能となり、改質部、一酸化炭素低減部の温度を所定の温度に維持し、水素生成器の熱バランスを保つことが可能となる。   As a result, it is possible to cool the reforming unit or the carbon monoxide reduction unit by circulating air through the cooling air path, and maintain the temperature of the reforming unit and the carbon monoxide reduction unit at a predetermined temperature. It is possible to maintain the heat balance of the generator.

さらには、予め使用する原料の種類によって冷却空気経路に流通する空気の流量を調整することで、水素生成器の構造体の伝熱量を調整するよりも容易に、水素生成器の各反応部の温度が所定の温度で維持するように構成設計することが可能である。   Furthermore, by adjusting the flow rate of air flowing through the cooling air path according to the type of raw material used in advance, it is easier to adjust the heat transfer amount of the structure of the hydrogen generator. It is possible to design the structure so that the temperature is maintained at a predetermined temperature.

第２の発明は、第１の発明の燃料電池システムの一酸化炭素低減部が、前記改質部からの燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、水性ガスシフト反応を利用して低減する変成部と、メタネーション反応を利用して低減するメタネーション部及び酸化反応を利用して低減する選択酸化部のうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする燃料電池システムである。   According to a second aspect of the present invention, the carbon monoxide reducing unit of the fuel cell system of the first invention reduces the carbon monoxide concentration in the fuel gas from the reforming unit using a water gas shift reaction; The fuel cell system is characterized by comprising at least one of a methanation portion that is reduced using a methanation reaction and a selective oxidation portion that is reduced using an oxidation reaction.

これにより、改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減する水素生成器を搭載した燃料電池システムにおいても、冷却空気経路に空気を流通させることで改質部あるいは一酸化炭素低減部を冷却することが可能となり、各反応部を所定の温度に維持して水素生成器の熱バランスを保つことが可能である。   As a result, even in a fuel cell system equipped with a hydrogen generator that reduces the concentration of carbon monoxide in the fuel gas produced in the reforming section, the reforming section or carbon monoxide can be obtained by circulating air through the cooling air path. The reduction part can be cooled, and the reaction part can be maintained at a predetermined temperature to keep the heat balance of the hydrogen generator.

第３の発明は、第１または第２の発明の燃料電池システムの冷却空気経路が、前記空気供給経路から分岐して前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の周囲に前記空気供給手段で供給する空気の一部を流通させた後、前記空気供給経路との分岐点より下流の前記空気供給経路に合流するものである。   According to a third aspect of the present invention, the cooling air path of the fuel cell system of the first or second aspect branches from the air supply path and surrounds at least one of the reforming unit and the carbon monoxide reduction unit. After a part of the air supplied by the air supply means is circulated, it joins the air supply path downstream from the branch point with the air supply path.

これにより、空気供給手段で供給した空気の一部が冷却空気経路に分岐されるが、再度空気供給経路に合流されるために、空気供給手段で供給する空気の流量の管理が容易となる。   As a result, a part of the air supplied by the air supply means is branched into the cooling air path. However, since the air is again joined to the air supply path, the flow rate of the air supplied by the air supply means can be easily managed.

また、空気供給手段で供給する空気の流量が増加するのを抑制することができるため、空気供給手段の消費電力が上昇するのを抑制して、燃料電池システムの効率が低下するのを抑制することができる。   Moreover, since it can suppress that the flow volume of the air supplied by an air supply means increases, it suppresses that the power consumption of an air supply means raises and suppresses that the efficiency of a fuel cell system falls. be able to.

さらに、冷却空気経路を流通する際に水素生成器によって加熱された空気が空気供給経路に合流するため、水素生成器の熱を燃料電池システムの系内で有効に活用することが可能となる。   Furthermore, since the air heated by the hydrogen generator joins the air supply path when flowing through the cooling air path, the heat of the hydrogen generator can be effectively utilized in the fuel cell system.

第４の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明の燃料電池システムの空気供給手段が、前記燃料電池に空気を供給する空気ブロワであり、前記空気供給経路は、前記燃料電池に空気を供給するカソード空気経路であり、前記冷却空気経路は、前記カソード空気経路と前記燃料電池の上流側で合流するものである。   A fourth invention is an air blower in which the air supply means of the fuel cell system according to any one of the first to third inventions supplies air to the fuel cell, and the air supply path is connected to the fuel cell. A cathode air path for supplying air, and the cooling air path joins the cathode air path upstream of the fuel cell.

これにより、空気ブロワで供給した空気が全て燃料電池にカソード空気として供給されるため、燃料電池に供給するカソード空気の流量が比較的容易に制御することが可能となる。   Thereby, since all the air supplied by the air blower is supplied to the fuel cell as cathode air, the flow rate of the cathode air supplied to the fuel cell can be controlled relatively easily.

さらに、燃料電池に供給される空気の一部が、冷却空気経路を流通することで加熱されるため、燃料電池に供給されるカソード空気を予め加熱することが可能であり、燃料電池を介して熱回収をすることで、燃料電池システムの排熱回収効率を上昇させることができる。   Furthermore, since a part of the air supplied to the fuel cell is heated by flowing through the cooling air path, the cathode air supplied to the fuel cell can be pre-heated via the fuel cell. By performing heat recovery, the exhaust heat recovery efficiency of the fuel cell system can be increased.

第５の発明は、第１から第４のいずれか１つの発明の燃料電池システムに、前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の温度を検知する温度センサと、前記冷却空気経路を流通する空気量を調整する調整手段と、前記温度センサで検知した温度に基づいて前記調整手段を制御する制御部とをさらに備えた燃料電池システムである。   According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the first to fourth aspects, a temperature sensor that detects a temperature of at least one of the reforming unit and the carbon monoxide reduction unit, and the cooling The fuel cell system further includes an adjusting unit that adjusts an amount of air flowing through the air path, and a control unit that controls the adjusting unit based on a temperature detected by the temperature sensor.

これにより、燃料電池システムが運転中に水素生成器に設けた温度センサによって温度を監視しながら改質部と一酸化炭素低減部との温度を制御することが可能となるため、水素生成器の熱バランスを構成設計することが容易となる。さらに燃料電池システムの起動運転時や発電量を変化させる際などの過渡状態時や、水、空気、原料などの温度変化や環境温度の変化時などが発生した時、更には燃料電池システムに供給する原料の種類や組成が変わった時でも、冷却空気経路を流通する空気量を調整することで、改質部および一酸化炭素低減部の温度を所定の温度に保ち、熱バランスを維持することが可能である。   This makes it possible to control the temperature of the reforming unit and the carbon monoxide reduction unit while monitoring the temperature with a temperature sensor provided in the hydrogen generator during operation of the fuel cell system. It becomes easy to structurally design the heat balance. In addition, when the fuel cell system starts up or when a transient state occurs, such as when the amount of power generation is changed, or when a temperature change such as water, air, or raw material occurs or when the environmental temperature changes, it is supplied to the fuel cell system. Even when the type and composition of the raw material to be changed, the temperature of the reforming section and the carbon monoxide reduction section is maintained at a predetermined temperature by adjusting the amount of air flowing through the cooling air path, and the heat balance is maintained. Is possible.

第６の発明は、第５の発明の燃料電池システムの調整手段が、前記冷却空気経路に備えられた開閉弁であり、温度センサで検知する温度を監視しながら冷却経路に流通させる空気を開放または遮断させることで、より簡便に各反応部の温度を適切な温度範囲に制御することが可能である。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an on-off valve provided in the cooling air path, wherein the adjusting means of the fuel cell system according to the fifth aspect of the invention opens the air flowing through the cooling path while monitoring the temperature detected by the temperature sensor. Or it is possible to control the temperature of each reaction part to an appropriate temperature range more simply by blocking.

第７の発明は、第５または第６の発明の燃料電池システムの制御部が、前記温度センサで検知する温度が所定温度よりも高くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に空気を流通させ、前記温度センサで検知する温度が前記所定温度よりも低くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に流通する空気を遮断するものである。これにより、より簡便に各反応部の温度を適切な温度範囲に制御することが可能である。   According to a seventh aspect of the present invention, when the temperature detected by the temperature sensor is higher than a predetermined temperature by the control unit of the fuel cell system according to the fifth or sixth aspect of the invention, the adjusting means is controlled to supply air to the cooling air path. When the temperature detected by the temperature sensor is lower than the predetermined temperature, the adjusting means is controlled to block the air flowing through the cooling air path. Thereby, it is possible to more easily control the temperature of each reaction part to an appropriate temperature range.

第８の発明は、第７の発明の燃料電池システムの所定温度が、第１の所定温度と、前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度で構成され、前記制御部は、前記温度センサで検知する温度が前記第１の所定温度よりも高くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に空気を流通させ、前記温度センサで検知する温度が前記第２の所定温度よりも低
くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に流通する空気を遮断するものである。 According to an eighth aspect of the present invention, the predetermined temperature of the fuel cell system of the seventh aspect is configured by a first predetermined temperature and a second predetermined temperature that is lower than the first predetermined temperature, When the temperature detected by the temperature sensor becomes higher than the first predetermined temperature, the adjusting means is controlled to cause air to flow through the cooling air path, and the temperature detected by the temperature sensor is higher than the second predetermined temperature. When it becomes low, the adjusting means is controlled to block the air flowing through the cooling air path.

これにより、温度センサが検知する温度が上下しても、頻繁に冷却空気経路に流通する空気が開放または遮断を繰り返すことがなく、空気供給手段から供給する空気量が変化することがない。   Thereby, even if the temperature detected by the temperature sensor rises and falls, the air flowing through the cooling air path does not repeatedly open or close, and the amount of air supplied from the air supply means does not change.

第９の発明は、第１から第８のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、前記改質部と前記一酸化炭素低減部とを収納する筐体と、前記筐体の外周に配された断熱材とをさらに備え、前記冷却空気経路を前記筐体の外側で、かつ前記断熱材の内側に配したものである。   According to a ninth invention, in the fuel cell system according to any one of the first to eighth inventions, a casing housing the reforming unit and the carbon monoxide reducing unit, and an outer periphery of the casing. And the cooling air path is arranged outside the housing and inside the heat insulating material.

これにより、改質部、一酸化炭素低減部、および冷却空気経路からの放熱を抑制することが可能となり、燃料電池システムの熱損失を抑制することが可能となる。さらに、改質部と一酸化炭素低減部とが受ける外気温の影響を小さくすることが可能である。   Thereby, it becomes possible to suppress heat dissipation from the reforming unit, the carbon monoxide reduction unit, and the cooling air path, and it is possible to suppress heat loss of the fuel cell system. Furthermore, it is possible to reduce the influence of the outside temperature that the reforming unit and the carbon monoxide reduction unit receive.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。 (Embodiment 1)
First, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図１において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ破線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図１では、本発明を説明するために必要となる主要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。   FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, a solid line connecting the components constituting the fuel cell system indicates a path through which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow. The arrows on the solid lines indicate the direction in which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow during normal operation. Moreover, the broken line which connects between each component has shown the input and output of the control signal. FIG. 1 shows only main components necessary for explaining the present invention, and the other components are not shown.

図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、その発電部の本体としての燃料電池２を備えている。この燃料電池２としては、本実施の形態では、固体高分子型燃料電池を用いている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 2 as a main body of the power generation unit. As the fuel cell 2, a solid polymer fuel cell is used in the present embodiment.

燃料電池２は、後述する水素生成器３から排出されて燃料電池２内のアノード流路２ａに供給される水素を豊富に含む燃料ガスと、後述する空気供給手段である空気ブロワ１７により燃料電池２内のカソード流路２ｂに供給される酸化剤ガス（通常は空気）とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。また、図示はしていないが、燃料電池２が発電する際に発生する熱は、燃料電池２内の冷却水流路（図示せず）に供給する冷却水により回収され、燃料電池２外に排出される。燃料電池２の内部構成に関する詳細な説明については、燃料電池２の内部構成と一般的な固体高分子型燃料電池の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。   The fuel cell 2 includes a fuel gas containing abundant hydrogen discharged from a hydrogen generator 3 to be described later and supplied to an anode flow path 2a in the fuel cell 2, and an air blower 17 serving as an air supply unit to be described later. The oxidant gas (usually air) supplied to the cathode flow path 2b in the power generator 2 is used to generate power to output a predetermined power. Although not shown, heat generated when the fuel cell 2 generates electricity is recovered by cooling water supplied to a cooling water flow path (not shown) in the fuel cell 2 and discharged outside the fuel cell 2. Is done. The detailed description of the internal configuration of the fuel cell 2 is omitted here because the internal configuration of the fuel cell 2 and the internal configuration of a general polymer electrolyte fuel cell are the same.

また、図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２に水素を豊富に含む燃料ガスを生成するための水素生成器３を備えている。水素生成器３の詳細な構造についての説明は別途後述することとし、ここでの説明は主に水素生成器３内での概略の構成について説明することとする。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a hydrogen generator 3 for generating a fuel gas containing abundant hydrogen in the fuel cell 2. The detailed structure of the hydrogen generator 3 will be described later separately, and the description here will mainly describe the schematic configuration in the hydrogen generator 3.

図１に示すように、本実施の形態における水素生成器３は、少なくとも改質部３ａを備
えている。この改質部３ａは、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ガスと水蒸気とを所定の温度に加熱した改質触媒の充填層中に供給することにより、水蒸気改質反応を進行させ、原料ガスから水素を豊富に含む燃料ガスを生成するものである。改質部３ａに供給する原料ガスとしては、典型的には、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどの気体の炭化水素系原料ガスが用いられる。また、メタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を用いてもよい。ただし、液体の原料を用いる場合は、改質部３ａに供給する前に気化させることが好ましい。以下の説明において原料ガスとは、気体の炭化水素系原料ガスだけでなく、液体の炭化水素系原料を気化させたものを含むものとする。 As shown in FIG. 1, the hydrogen generator 3 in the present embodiment includes at least a reforming unit 3a. The reforming unit 3a advances a steam reforming reaction by supplying a raw material gas containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen and steam into a packed bed of a reforming catalyst heated to a predetermined temperature. The fuel gas containing abundant hydrogen is generated from the raw material gas. As the raw material gas supplied to the reforming unit 3a, typically, a gaseous hydrocarbon raw material gas such as city gas, natural gas, or LPG is used. Further, liquid hydrocarbon raw materials such as methanol and kerosene may be used. However, when using a liquid raw material, it is preferable to vaporize before supplying to the modification | reformation part 3a. In the following description, the raw material gas includes not only a gaseous hydrocarbon raw material gas but also a gas obtained by vaporizing a liquid hydrocarbon raw material.

改質部３ａへの原料ガスの供給は、後述の原料ガス供給装置４によって原料ガス供給経路５を介して行われる。都市ガスやＬＰＧなどの原料ガスは、付臭剤として添加される硫黄化合物を含むが、それらは原料ガス供給経路５が水素生成器３と接続されるよりも上流側に設置された脱硫部（図示せず）を通過するときに除去され、脱硫後の炭化水素系原料ガスが水素生成器３に供給される。   The supply of the raw material gas to the reforming unit 3a is performed via the raw material gas supply path 5 by the raw material gas supply device 4 described later. Source gases such as city gas and LPG contain sulfur compounds added as odorants, but they are desulfurization sections installed upstream of the source gas supply path 5 connected to the hydrogen generator 3 ( It is removed when passing through (not shown), and the hydrocarbon-based raw material gas after desulfurization is supplied to the hydrogen generator 3.

また、改質部３ａへの水蒸気の供給は、水素生成器３内の原料ガス供給経路５上に設けられた後述の水蒸発部３ｄにプロセス水を供給し、このプロセス水を蒸発させて原料ガスと混合させることによって行われる。   The steam is supplied to the reforming unit 3a by supplying process water to a water evaporation unit 3d (described later) provided on the source gas supply path 5 in the hydrogen generator 3, and evaporating the process water to supply the raw material. This is done by mixing with gas.

また、さらに水素生成器３には、上記改質部３ａの下流に、改質部３ａから排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するための変成部３ｂと、変成部３ｂから排出される燃料ガス中の一酸化炭素をさらに低減するための選択酸化部３ｃとが順次接続されている。この変成部３ｂと選択酸化部３ｃとが一酸化炭素低減部に相当する。   Further, the hydrogen generator 3 is discharged downstream from the reforming unit 3a, the shift unit 3b for reducing carbon monoxide in the fuel gas discharged from the reforming unit 3a, and the shift unit 3b. A selective oxidation unit 3c for further reducing carbon monoxide in the fuel gas is sequentially connected. The metamorphic part 3b and the selective oxidation part 3c correspond to a carbon monoxide reduction part.

変成部３ｂは、改質部３ａと水素生成器３内の経路で接続されており、改質部３ａで生成した燃料ガスが、変成部３ｂの変成触媒の充填層中に導入される。この改質部３ａで生成した燃料ガス中には、水素のほかに一酸化炭素と二酸化炭素、さらには改質反応に使われなかった水蒸気が含まれているが、変成部３ｂでは、導入された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とから、二酸化炭素と水素とを生成させる水性ガスシフト反応を進行させて、改質部３ａから供給される燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させる。   The shift unit 3b is connected to the reforming unit 3a through a path in the hydrogen generator 3, and the fuel gas generated in the reforming unit 3a is introduced into the packed bed of the shift catalyst in the shift unit 3b. The fuel gas generated in the reforming unit 3a contains carbon monoxide and carbon dioxide in addition to hydrogen, and further water vapor not used in the reforming reaction, but is introduced in the shift unit 3b. The water gas shift reaction for generating carbon dioxide and hydrogen from the carbon monoxide and water vapor in the fuel gas is advanced to reduce the concentration of carbon monoxide in the fuel gas supplied from the reforming unit 3a.

選択酸化部３ｃは、変成部３ｂと水素生成器３内の経路で接続されており、変成部３ｂで一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスが、選択酸化部３ｃの選択酸化触媒の充填層中に導入される。さらに選択酸化部３ｃには、酸素を含有するガス、すなわち一般的には空気（以下、選択酸化空気と称す）が、選択酸化空気経路８を介して供給される。選択酸化部３ｃでは、変成部３ｂで残存した燃料ガス中の一酸化炭素を、選択酸化空気中の酸素で酸化させて二酸化炭素とし、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下程度まで低減する。ここで、選択酸化空気を供給する手段としては、所定量が供給できる選択酸化空気ファン（図示せず）を別途設けても良く、また、後述の空気ブロワ１７や燃焼空気ファン９から供給する空気の一部を分岐して、選択酸化部に所定量の選択酸化空気が供給されるようにしても良い。   The selective oxidation unit 3c is connected to the shift unit 3b through a path in the hydrogen generator 3, and the fuel gas whose carbon monoxide concentration has been reduced in the shift unit 3b is contained in the selective oxidation catalyst packed bed of the selective oxidation unit 3c. To be introduced. Further, a gas containing oxygen, that is, generally air (hereinafter referred to as selective oxidation air) is supplied to the selective oxidation unit 3 c via the selective oxidation air path 8. In the selective oxidation unit 3c, the carbon monoxide in the fuel gas remaining in the shift unit 3b is oxidized with oxygen in the selective oxidation air to form carbon dioxide, and the carbon monoxide concentration in the fuel gas is reduced to about 10 ppm or less. . Here, as the means for supplying the selective oxidized air, a selective oxidized air fan (not shown) capable of supplying a predetermined amount may be provided separately, and the air supplied from the air blower 17 and the combustion air fan 9 described later. A predetermined amount of the selective oxidation air may be supplied to the selective oxidation unit.

また、水素生成器３内の原料ガス供給経路５には、プロセス水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸発部３ｄを備えている。水蒸発部３ｄでプロセス水を蒸発させるための熱には、発熱反応である変成部３ｂおよび選択酸化部３ｃにおける水性ガスシフト反応および選択酸化反応の反応熱と、後述する燃焼部であるバーナ部３ｅでの燃料ガスの燃焼で生成した、燃焼排ガスの熱が利用される。水蒸発部３ｄには、プロセス水供給ポンプ６によってプロセス水タンク７からプロセス水が供給され、水蒸発部３ｄで蒸発させて水蒸気を生成し、原料ガスと混合されて改質部３ａに供給される。   Further, the raw material gas supply path 5 in the hydrogen generator 3 is provided with a water evaporating unit 3d for evaporating process water to generate water vapor. The heat for evaporating the process water in the water evaporating unit 3d includes the reaction heat of the water gas shift reaction and the selective oxidation reaction in the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c which are exothermic reactions, and a burner unit 3e which is a combustion unit described later. The heat of the combustion exhaust gas generated by the combustion of the fuel gas at is used. Process water is supplied from the process water tank 7 by the process water supply pump 6 to the water evaporation section 3d, evaporated by the water evaporation section 3d to generate water vapor, mixed with the raw material gas, and supplied to the reforming section 3a. The

また、水素生成器３は、吸熱反応である改質反応に必要な反応熱を改質部３ａに供給するために、燃焼用ガスを燃焼させる燃焼部であるバーナ部３ｅを備えている。このバーナ部３ｅは、燃焼用ガスとして、燃料電池２で発電に利用されなかった水素を含むガス（以下、オフガスと称す）、水素生成器３で生成される燃料ガス、および原料ガス供給装置４により供給される原料ガスの内、少なくともいずれか１つを燃焼させる。また、このバーナ部３ｅには、バーナ部３ｅでの燃焼用ガスの燃焼に必要な空気（以下、燃焼空気と称す）を供給するための燃焼空気ファン９が燃焼空気経路１０を介して接続されている。   Further, the hydrogen generator 3 includes a burner unit 3e that is a combustion unit that burns combustion gas in order to supply reaction heat necessary for the reforming reaction that is an endothermic reaction to the reforming unit 3a. The burner unit 3e includes a gas containing hydrogen that has not been used for power generation in the fuel cell 2 (hereinafter referred to as off-gas), a fuel gas generated by the hydrogen generator 3, and a raw material gas supply device 4 as a combustion gas. At least one of the source gases supplied by the above is burned. A combustion air fan 9 for supplying air necessary for combustion of combustion gas in the burner unit 3e (hereinafter referred to as combustion air) is connected to the burner unit 3e via a combustion air path 10. ing.

また、図１に示すように、この燃料電池システム１は、原料ガス供給装置４を備えている。この原料ガス供給装置４は、燃料電池システム１の発電運転時等において、都市ガス等のインフラストラクチャーから供給される原料ガスを昇圧する昇圧ポンプであり、上述した原料ガス供給経路５を介して、改質部３ａに所定量の原料ガスを供給する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a raw material gas supply device 4. This source gas supply device 4 is a booster pump that boosts the source gas supplied from the infrastructure such as city gas during the power generation operation of the fuel cell system 1, and the like via the above-described source gas supply path 5. A predetermined amount of source gas is supplied to the reforming unit 3a.

また、燃料電池２と水素生成器３とは、水素生成器３で生成した燃料ガスを燃料電池２のアノード流路２ａに供給するために、一端が水素生成器３の選択酸化部３ｃと接続され、他端が燃料電池２のアノード流路２ａに接続された燃料ガス経路１１とで接続されている。さらに、燃料電池２のアノード流路２ａとバーナ部３ｅとは、一端が燃料電池２のアノード流路２ａに接続され、他端がバーナ部３ｅに接続されたオフガス経路１２で接続されている。   The fuel cell 2 and the hydrogen generator 3 are connected at one end to the selective oxidation unit 3 c of the hydrogen generator 3 in order to supply the fuel gas generated by the hydrogen generator 3 to the anode flow path 2 a of the fuel cell 2. The other end of the fuel cell 2 is connected to the fuel gas path 11 connected to the anode flow path 2 a of the fuel cell 2. Furthermore, the anode flow path 2a of the fuel cell 2 and the burner part 3e are connected by an off-gas path 12 having one end connected to the anode flow path 2a of the fuel cell 2 and the other end connected to the burner part 3e.

また、燃料ガス経路１１は途中でバイパス経路１３に分岐されており、オフガス経路１２の途中と合流するように接続されている。   Further, the fuel gas path 11 is branched into a bypass path 13 in the middle, and is connected so as to merge with the middle of the offgas path 12.

燃料ガス経路１１のバイパス経路１３との分岐点よりも燃料電池２側には、燃料入弁１４が、オフガス経路１２のバイパス経路１３との合流点よりも燃料電池２側には、燃料出弁１５が、バイパス経路１３にはバイパス弁１６が、それぞれ設けられており、後述の制御部２２によって任意に開放または閉止が可能なように配設されている。燃料入弁１４，燃料出弁１５およびバイパス弁１６は制御部２２によって開放および閉止を任意に切り替えることが可能な電磁弁であり、これにより、燃料入弁１４と燃料出弁１５を閉止した状態でバイパス弁１６を開放すれば、選択酸化部３ｃから供給されるガスを、燃料電池２を介さずに直接バーナ部３ｅに供給することができ、逆に、燃料入弁１４と燃料出弁１５を開放してバイパス弁１６を閉止すれば、燃料電池２に水素生成器３で生成した燃料ガスを供給することが可能である。   A fuel inlet valve 14 is located closer to the fuel cell 2 than the branch point of the fuel gas path 11 with the bypass path 13, and a fuel outlet valve is located closer to the fuel cell 2 than the junction with the bypass path 13 of the offgas path 12. 15 and a bypass valve 16 are provided in the bypass path 13, respectively, and are arranged so as to be arbitrarily opened or closed by a control unit 22 described later. The fuel inlet valve 14, the fuel outlet valve 15, and the bypass valve 16 are electromagnetic valves that can be arbitrarily switched between open and closed by the control unit 22, whereby the fuel inlet valve 14 and the fuel outlet valve 15 are closed. If the bypass valve 16 is opened, the gas supplied from the selective oxidation unit 3c can be supplied directly to the burner unit 3e without going through the fuel cell 2, and conversely, the fuel inlet valve 14 and the fuel outlet valve 15 Is opened and the bypass valve 16 is closed, the fuel gas generated by the hydrogen generator 3 can be supplied to the fuel cell 2.

また、図１に示すように、この燃料電池システム１は、空気の供給手段として空気ブロワ１７を備えている。この空気ブロワ１７は、燃料電池２のカソード流路２ｂにカソード空気経路１８を介して酸化剤ガスとしての空気（以下、カソード空気と称す）を供給するものである。空気ブロワ１７は、後述する制御部２２によって回転数を制御することにより、空気ブロワ１７から供給する空気量を調整することが可能であるように配設されている。   Further, as shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes an air blower 17 as air supply means. The air blower 17 supplies air (hereinafter referred to as cathode air) as an oxidant gas to the cathode flow path 2b of the fuel cell 2 via the cathode air path 18. The air blower 17 is disposed so that the amount of air supplied from the air blower 17 can be adjusted by controlling the rotational speed by the control unit 22 described later.

また、カソード空気経路１８の燃料電池２側には、カソード空気供給遮断手段として開閉弁である空気入弁２０が配設されており、後述の制御部２２によって開放または閉止を任意に変更することが可能なようにされている。   Further, an air inlet valve 20 that is an on-off valve is disposed on the fuel cell 2 side of the cathode air passage 18 as a cathode air supply shut-off means, and the opening or closing can be arbitrarily changed by a control unit 22 described later. Has been made possible.

また更に、カソード空気経路１８は、空気入弁２０の上流側の分岐点Ｘで冷却空気経路１９と分岐されている。この冷却空気経路１９は、空気ブロワ１７で供給した空気の一部が、水素生成器３の変成部３ｂおよび選択酸化部３ｃを構成する構造体の外側を経由して流通するように構成されている。空気ブロワ１７で供給した空気は、冷却空気経路１９に設けた固定オリフィス１９ａを調整設計することによって、所定の割合で燃料電池２と冷
却空気経路１９とに分岐されるように調整されている。 Further, the cathode air path 18 is branched from the cooling air path 19 at a branch point X on the upstream side of the air inlet valve 20. The cooling air path 19 is configured such that a part of the air supplied by the air blower 17 flows through the outside of the structure constituting the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c of the hydrogen generator 3. Yes. The air supplied by the air blower 17 is adjusted so as to be branched into the fuel cell 2 and the cooling air path 19 at a predetermined ratio by adjusting and designing a fixed orifice 19 a provided in the cooling air path 19.

また、発電に利用されなかった酸素を含む空気（以下、カソード排空気と称す）は、燃料電池２のカソード流路２ｂに接続されたカソード排空気経路２１から燃料電池システム１の系外に排気される。   Further, air containing oxygen that has not been used for power generation (hereinafter referred to as cathode exhaust air) is exhausted out of the fuel cell system 1 from the cathode exhaust air path 21 connected to the cathode flow path 2 b of the fuel cell 2. Is done.

さらに、燃料電池システム１は、制御部２２を備えている。この制御部２２は、燃料電池システム１を構成する各構成要素（例えば、原料ガス供給装置４や燃焼空気ファン９など）の動作を適宜制御する。ここで、この制御部２２は、例えば、図１では特に図示しないが、記憶部、計時部、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を備えている。燃料電池システム１の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御部２２の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御部２２が燃料電池システム１の動作を適宜制御する。   Furthermore, the fuel cell system 1 includes a control unit 22. The control unit 22 appropriately controls the operation of each component (for example, the raw material gas supply device 4 and the combustion air fan 9) constituting the fuel cell system 1. Here, the control unit 22 includes, for example, a storage unit, a timing unit, a central processing unit (CPU), and the like, although not particularly illustrated in FIG. A program related to the operation of each component of the fuel cell system 1 is stored in advance in the storage unit of the control unit 22, and the control unit 22 operates the fuel cell system 1 based on the program stored in the storage unit. Is appropriately controlled.

また、燃料電池２から冷却水を介して排出された熱や、燃焼排ガスの熱、カソード排空気の熱などは、図示はしないが、排熱回収経路を流通する貯湯タンクから供給された比較的低温の水と熱交換器によって熱交換をする。これにより、貯湯タンクから供給される比較的低温の水は加熱されて比較的高温の水として貯湯タンクに戻され、貯湯タンクにお湯が蓄えられる。   In addition, although not shown, the heat discharged from the fuel cell 2 through the cooling water, the heat of the combustion exhaust gas, the heat of the cathode exhaust air, etc. are relatively supplied from the hot water storage tank that circulates through the exhaust heat recovery path. Heat is exchanged with cold water and a heat exchanger. Accordingly, the relatively low temperature water supplied from the hot water storage tank is heated and returned to the hot water storage tank as relatively high temperature water, and hot water is stored in the hot water storage tank.

次に、本発明の特徴となる水素生成器の構成について、図を用いて説明する。   Next, the configuration of the hydrogen generator that is a feature of the present invention will be described with reference to the drawings.

図２は、本実施の形態１の燃料電池システムに搭載した水素生成器の主要部縦断面図である。   FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a main part of the hydrogen generator mounted on the fuel cell system according to the first embodiment.

図２に示すように、水素生成器３は、内側から順に第１円筒体２３、第２円筒体２４、第３円筒体２５、そして筐体に相当する第４円筒体２６が同心円上に配置されている。そして第１円筒体２３と第２円筒体２４との間の空間で燃焼排ガス流路２７を構成し、第２円筒体２４と第３円筒体２５との間の空間で環状の第１のガス流路２８を構成し、第３円筒体２５と第４円筒体２６との空間で環状の第２のガス流路２９を構成し、第１円筒体２３の内空間にバーナ部３ｅと、バーナ部３ｅに燃焼用ガスを供給するオフガス経路１２と、燃焼空気を供給する燃焼空気経路１０と燃焼室３０とが接続されている。   As shown in FIG. 2, the hydrogen generator 3 includes a first cylindrical body 23, a second cylindrical body 24, a third cylindrical body 25, and a fourth cylindrical body 26 corresponding to a casing arranged in a concentric circle in order from the inside. Has been. A combustion exhaust gas flow path 27 is formed in the space between the first cylindrical body 23 and the second cylindrical body 24, and the annular first gas is formed in the space between the second cylindrical body 24 and the third cylindrical body 25. The flow path 28 is configured, the annular second gas flow path 29 is configured in the space between the third cylindrical body 25 and the fourth cylindrical body 26, and the burner portion 3 e and the burner are formed in the inner space of the first cylindrical body 23. The off gas passage 12 for supplying combustion gas to the portion 3e, the combustion air passage 10 for supplying combustion air, and the combustion chamber 30 are connected.

燃焼室３０と燃焼排ガス流路２７とは、端部近傍で排気折り返し部３１を介して連通している。また、第１のガス流路２８と第２のガス流路２９とは、端部近傍で原料折り返し部３２を介して連通している。   The combustion chamber 30 and the combustion exhaust gas passage 27 communicate with each other via an exhaust turn-back portion 31 in the vicinity of the end portion. Further, the first gas flow path 28 and the second gas flow path 29 communicate with each other via the raw material folding portion 32 in the vicinity of the end portion.

そして、第１のガス流路２８には、改質触媒を充填した改質部３ａを設けている。改質触媒はここではアルミナ担体に金属ルテニウムを担持した球状の触媒を使用しているが、このほかにニッケル触媒、白金系触媒、ロジウム等の白金族系触媒等を用いることができ、また形状もペレット状やハニカム形状のものを用いることができる。   The first gas channel 28 is provided with a reforming unit 3a filled with a reforming catalyst. The reforming catalyst used here is a spherical catalyst in which metal ruthenium is supported on an alumina carrier, but in addition to this, a nickel group catalyst, a platinum group catalyst, a platinum group catalyst such as rhodium, etc. can be used. Also, pellets and honeycombs can be used.

第２のガス流路２９には、変成触媒を充填した変成部３ｂと選択酸化触媒を充填した選択酸化部３ｃとを設け、改質部３ａから排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部を構成している。   The second gas passage 29 is provided with a shift portion 3b filled with a shift catalyst and a selective oxidation portion 3c filled with a selective oxidation catalyst to reduce carbon monoxide in the fuel gas discharged from the reforming portion 3a. The carbon monoxide reduction part which comprises is comprised.

ここでは、変成触媒には、球状の白金系触媒を用いているが、銅を主体とした銅／亜鉛系触媒等を用いることも当然できる。また、選択酸化触媒はルテニウム系の球状触媒を用いているが、白金系触媒等も目的に応じて選択することが可能である。また、形状についても球状には限らない。また、選択酸化部３ｃの上流側には、選択酸化触媒で一酸化炭素
を酸化反応させるための空気を供給する選択酸化空気経路８が接続されている。 Here, a spherical platinum-based catalyst is used as the shift catalyst, but it is also possible to use a copper / zinc-based catalyst mainly composed of copper. Further, although the ruthenium-based spherical catalyst is used as the selective oxidation catalyst, a platinum-based catalyst or the like can be selected according to the purpose. Further, the shape is not limited to spherical. A selective oxidation air path 8 for supplying air for oxidizing carbon monoxide with a selective oxidation catalyst is connected to the upstream side of the selective oxidation unit 3c.

選択酸化部３ｃの下流側には、生成した燃料ガスが排出される燃料ガス経路１１が接続されており、燃料ガス経路１１で水素生成器３と燃料電池２とが接続されている。   A fuel gas path 11 through which the generated fuel gas is discharged is connected to the downstream side of the selective oxidation unit 3 c, and the hydrogen generator 3 and the fuel cell 2 are connected through the fuel gas path 11.

第１のガス流路２８の上流側には、原料ガス供給経路５が接続されており、ここから改質部３ａでの水蒸気改質反応の原料である炭化水素系の原料ガスとプロセス水とが供給される。そして、第１のガス流路２８の上流側には、流路規定部材３３をらせん状に設置し、流路規定部材３３に沿って第２円筒体２４と第３円筒体２５との間にらせん状の空間を形成している。水素生成器３で水素を生成する際には、原料ガス供給経路５からプロセス水と原料ガスとが供給されるが、前記のらせん状空間をプロセス水が流通する間に蒸発して水蒸気と相変化しながら原料ガスと混合されることになる。この前記らせん状の空間を水蒸発部３ｄとする。   A raw material gas supply path 5 is connected to the upstream side of the first gas flow path 28, from which a hydrocarbon-based raw material gas and a process water, which are raw materials for a steam reforming reaction in the reforming section 3a, Is supplied. Then, on the upstream side of the first gas flow path 28, a flow path defining member 33 is installed in a spiral shape, and between the second cylindrical body 24 and the third cylindrical body 25 along the flow path defining member 33. A spiral space is formed. When hydrogen is generated by the hydrogen generator 3, process water and source gas are supplied from the source gas supply path 5. The process water evaporates during the circulation of the process water in the spiral space, and the water vapor and the source gas are supplied. The raw material gas is mixed while changing. This spiral space is referred to as a water evaporation section 3d.

また、変成部３ｂと選択酸化部３ｃの外側には、カソード空気経路１８から分岐された冷却空気経路１９が第４円筒体２６の外周を沿って配設されており、空気ブロワ１７で供給したカソード空気の一部が所定量だけ変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを冷却した後、燃料電池システム１の系外に排出されるように構成されている。   In addition, a cooling air path 19 branched from the cathode air path 18 is disposed along the outer periphery of the fourth cylindrical body 26 on the outside of the transformation unit 3b and the selective oxidation unit 3c, and is supplied by the air blower 17. A part of the cathode air is configured to be discharged out of the fuel cell system 1 after cooling the transformation unit 3b and the selective oxidation unit 3c by a predetermined amount.

水素生成器３には、水素生成器３全体を覆うように断熱材３４が設けられている。断熱材３４の材料として、本実施の形態１の燃料電池システム１の水素生成器３ではセラミックファイバーを成形した部材を用いているが、これに限られるものではない。   The hydrogen generator 3 is provided with a heat insulating material 34 so as to cover the entire hydrogen generator 3. As a material for the heat insulating material 34, the hydrogen generator 3 of the fuel cell system 1 of the first embodiment uses a member formed of a ceramic fiber, but is not limited thereto.

次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１の動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system 1 according to Embodiment 1 of the present invention will be described.

ここで、本実施の形態における「起動運転時」とは、「制御部２２から起動指令が出力されてから燃料電池２の図１では特に図示しない発電制御部により電流が燃料電池２から取り出される迄」を指し、「停止運転時」とは、「制御部２２から停止指令が出力されてから燃料電池システム１全体の動作が完全に停止する迄」を指す。   Here, “at the time of start-up operation” in the present embodiment means “after the start command is output from the control unit 22, the current is taken out from the fuel cell 2 by the power generation control unit not shown in FIG. “At the time of stop operation” means “until the operation of the entire fuel cell system 1 is completely stopped after the stop command is output from the control unit 22”.

燃料電池システム１の起動運転前には、改質触媒を充填した改質部３ａ、変成触媒を充填した変成部３ｂ、選択酸化触媒を充填した選択酸化部３ｃを含めた第１のガス流路２８、第２のガス流路２８（いわゆる水素生成器３の内部）には、反応用の各触媒の劣化を極力防止するために原料ガスが充填されている。これは、各触媒は空気の混入による酸化、残留水蒸気の凝縮による水濡れ等の履歴を受けることにより活性の劣化が起こることがあるためである。   Before the start-up operation of the fuel cell system 1, the first gas flow path including the reforming unit 3a filled with the reforming catalyst, the shift unit 3b filled with the shift catalyst, and the selective oxidation unit 3c filled with the selective oxidation catalyst 28, the second gas flow path 28 (inside the so-called hydrogen generator 3) is filled with a raw material gas in order to prevent deterioration of each catalyst for reaction as much as possible. This is because the activity of each catalyst may be deteriorated by receiving a history such as oxidation due to air mixing and water wetting due to condensation of residual water vapor.

燃料電池システム１の起動運転時には、制御部２２の制御によって以下の動作を行う。   During the start-up operation of the fuel cell system 1, the following operation is performed under the control of the control unit 22.

まず、水素生成器３の改質部３ａ，変成部３ｂ，選択酸化部３ｃに充填された各触媒の温度が、それぞれの反応を行うのに適した所定の温度になるように、バーナ部３ｅで原料ガスを燃焼させて各触媒を加熱する。具体的には、後述する理由によりバイパス弁１６を開放し、燃料入弁１４と燃料出弁１５とを閉止した状態で原料ガスを原料ガス供給装置４から原料ガス供給経路に供給する。この原料ガスは、水素生成器３、燃料ガス経路１１、バイパス経路１３を順次流通して、オフガス経路１２からバーナ部３ｅに供給される。同時に、供給した原料ガスの流量に対応した流量の燃焼空気を燃焼空気ファン９によって燃焼空気経路１０を介してバーナ部３ｅに供給し、バーナ部３ｅに設けた図示しない着火装置によってバーナ部３ｅでの燃焼を開始する。   First, the burner unit 3e so that the temperature of each catalyst charged in the reforming unit 3a, the shift unit 3b, and the selective oxidation unit 3c of the hydrogen generator 3 becomes a predetermined temperature suitable for performing each reaction. The raw material gas is burned to heat each catalyst. Specifically, the raw material gas is supplied from the raw material gas supply device 4 to the raw material gas supply path in a state where the bypass valve 16 is opened and the fuel inlet valve 14 and the fuel outlet valve 15 are closed for the reason described later. This raw material gas is sequentially circulated through the hydrogen generator 3, the fuel gas path 11, and the bypass path 13, and is supplied from the off-gas path 12 to the burner unit 3e. At the same time, combustion air having a flow rate corresponding to the flow rate of the supplied raw material gas is supplied to the burner unit 3e by the combustion air fan 9 through the combustion air path 10, and the burner unit 3e uses an ignition device (not shown) provided in the burner unit 3e. Start burning.

バーナ部３ｅでの燃焼によって排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路２７を流通す
る間に水蒸発部３ｄを加熱する。水蒸発部３ｄの温度が水を蒸発させることが可能な温度に昇温し、かつ各触媒の温度が１００℃以上の水蒸気が凝縮しない温度に昇温すると、プロセス水供給ポンプ６を駆動して、プロセス水タンク７から水蒸発部３ｄにプロセス水の供給を開始する。これにより、原料ガスと水蒸気とが改質部３ａに供給されることにより、改質部３ａにおいて改質反応が開始され、燃料ガスが生成され始める。 The flue gas discharged by the combustion in the burner part 3e heats the water evaporation part 3d while flowing through the flue gas passage 27. When the temperature of the water evaporating unit 3d is raised to a temperature at which water can be evaporated and the temperature of each catalyst is raised to a temperature at which water vapor of 100 ° C. or higher is not condensed, the process water supply pump 6 is driven. Then, supply of process water from the process water tank 7 to the water evaporation section 3d is started. As a result, the raw material gas and the water vapor are supplied to the reforming unit 3a, whereby the reforming reaction is started in the reforming unit 3a and the fuel gas starts to be generated.

燃料電池システム１の起動運転の初期段階では、改質部３ａの改質触媒の温度は、バーナ部３ｅにより加熱されて緩やかに温度上昇するが、起動運転の初期においては、改質反応を行うのに適した所定の温度に到達していない。そのため、改質部３ａにおける水蒸気改質反応が好適に進行しないので、改質部３ａから排出される燃料ガスには、大量の一酸化炭素が含まれている。また、同様に変成部３ｂの変成触媒の温度、および選択酸化部３ｃの選択酸化触媒の温度も、各反応を行うのに適した温度に到達していない。よって、水素生成器３から排出される燃料ガス中には、大量の一酸化炭素が含まれている。そこで、本実施の形態１の燃料電池システムでは、起動運転時には水素生成器３の各触媒の温度が所定の温度に到達し、一酸化炭素濃度が充分低下した良質の燃料ガスを生成可能となるまで（所定の運転条件を満足するまで）は、制御部２２により、前述のようにバイパス経路１３側を燃料ガスが流れるようにしておく。   In the initial stage of the start-up operation of the fuel cell system 1, the temperature of the reforming catalyst of the reforming unit 3a is heated by the burner unit 3e and gradually rises. However, in the initial stage of the start-up operation, a reforming reaction is performed. The predetermined temperature suitable for is not reached. For this reason, since the steam reforming reaction in the reforming unit 3a does not proceed suitably, the fuel gas discharged from the reforming unit 3a contains a large amount of carbon monoxide. Similarly, the temperature of the shift catalyst in the shift section 3b and the temperature of the selective oxidation catalyst in the selective oxidation section 3c do not reach temperatures suitable for performing each reaction. Therefore, the fuel gas discharged from the hydrogen generator 3 contains a large amount of carbon monoxide. Therefore, in the fuel cell system according to the first embodiment, the temperature of each catalyst in the hydrogen generator 3 reaches a predetermined temperature during start-up operation, and it becomes possible to generate a high-quality fuel gas with a sufficiently reduced carbon monoxide concentration. Until the predetermined operating condition is satisfied, the control unit 22 causes the fuel gas to flow on the bypass path 13 side as described above.

この間は、バーナ部３ｅでは燃焼用ガスとして、一酸化炭素が多く含まれた燃料ガスが燃焼用空気と共に燃焼される。   During this time, in the burner unit 3e, the fuel gas containing a large amount of carbon monoxide is burned together with the combustion air as the combustion gas.

また、選択酸化部３ｃの選択酸化触媒の温度が選択酸化反応を行うのに適した所定の温度に到達すると、選択酸化空気経路８を介して選択酸化部３ｃに所定量の選択酸化空気の供給を開始する。   When the temperature of the selective oxidation catalyst of the selective oxidation unit 3 c reaches a predetermined temperature suitable for performing the selective oxidation reaction, a predetermined amount of selective oxidized air is supplied to the selective oxidation unit 3 c via the selective oxidation air path 8. To start.

起動運転が進行して水素生成器３の各触媒の温度が、それぞれの反応を行うのに適した温度に到達し、水素生成器３で良質の燃料ガスが生成されだすと、燃料入弁１４と燃料出弁１５とを開放し、同時にバイパス弁１６を閉止することにより、燃料電池２のアノード流路２ａに燃料ガスの供給が開始される。   When the start-up operation proceeds and the temperature of each catalyst in the hydrogen generator 3 reaches a temperature suitable for performing each reaction, and the fuel generator 3 starts producing good quality fuel gas, the fuel inlet valve 14 And the fuel outlet valve 15 are opened, and at the same time, the bypass valve 16 is closed, whereby the supply of fuel gas to the anode flow path 2a of the fuel cell 2 is started.

また、同時に空気ブロワ１７が制御部２２によって駆動され、燃料電池２のカソード流路２ｂに所定流量のカソード空気の供給が開始され、燃料電池システム１が発電運転を開始する。   At the same time, the air blower 17 is driven by the control unit 22 to start supplying a predetermined amount of cathode air to the cathode flow path 2b of the fuel cell 2, and the fuel cell system 1 starts a power generation operation.

燃料電池システムが発電運転を開始した後は、バーナ部３ｅでは、燃料電池２での発電に利用されなかった水素を含むオフガスが燃焼用ガスとして燃焼される。   After the fuel cell system starts the power generation operation, the burner unit 3e burns off-gas containing hydrogen that has not been used for power generation in the fuel cell 2 as a combustion gas.

燃料電池システム１が安定的に発電運転を継続するためには、改質部３ａ，変成部３ｂ，選択酸化部３ｃおよび水蒸発部３ｄが各反応を行うのに適した所定の温度範囲に保たれ、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が十分に低減され、水素リッチな良質の燃料ガスが燃料電池２に供給され続ける必要がある。   In order for the fuel cell system 1 to continue the power generation operation stably, the reforming unit 3a, the transformation unit 3b, the selective oxidation unit 3c, and the water evaporation unit 3d are maintained in a predetermined temperature range suitable for performing each reaction. Therefore, it is necessary that the concentration of carbon monoxide in the fuel gas is sufficiently reduced and a high-quality fuel gas rich in hydrogen is continuously supplied to the fuel cell 2.

吸熱反応する改質部３ａは、バーナ部３ｅでのオフガスの燃焼熱と燃焼排ガスによって加熱され、所定の温度に保たれる。このとき、バーナ部３ｅで燃焼させるオフガスの流量は、改質部３ａを所定の温度に保つために所定の流量に決まってくるため、原料ガスの供給量と、それに対応してプロセス水の供給量も決まってくる。また、燃焼空気の流量も、バーナ部３ｅで燃焼させるオフガスの流量に対応して所定の流量に決まってくるため、燃焼排ガスの流量も所定の流量に決まってくる。   The reforming section 3a that undergoes endothermic reaction is heated by the combustion heat of off-gas in the burner section 3e and the combustion exhaust gas, and is maintained at a predetermined temperature. At this time, the flow rate of the off-gas burned in the burner unit 3e is determined to be a predetermined flow rate in order to keep the reforming unit 3a at a predetermined temperature. Therefore, the supply amount of raw material gas and the supply of process water corresponding thereto The amount is also determined. Further, since the flow rate of the combustion air is determined to be a predetermined flow rate corresponding to the flow rate of the off gas burned by the burner unit 3e, the flow rate of the combustion exhaust gas is also determined to be a predetermined flow rate.

一方、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとは、それぞれ発熱反応によって熱が発生するため
、その反応熱を取り去ってやる必要がある。変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの外周を形成する第４円筒体２６に伝達し、第４円筒体２６の周囲に配設された冷却空気経路１９を流れる冷却空気に放熱される。さらに、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの内側にある第３円筒体２５を介して水蒸発部３ｄに伝わり、プロセス水の蒸発熱に利用される。以上、２つの冷却構成により、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの反応熱が取り去られ、それぞれ所定の温度に保たれる。 On the other hand, since the heat is generated by the exothermic reaction in each of the transformation unit 3b and the selective oxidation unit 3c, it is necessary to remove the reaction heat. Part of the reaction heat generated in the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c is transmitted to the fourth cylindrical body 26 that forms the outer periphery of the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c, and around the fourth cylindrical body 26. Heat is radiated to the cooling air flowing through the arranged cooling air path 19. Furthermore, part of the reaction heat generated in the shift conversion unit 3b and the selective oxidation unit 3c is transferred to the water evaporation unit 3d via the third cylindrical body 25 inside the shift conversion unit 3b and the selective oxidation unit 3c, and the process Used for the heat of evaporation of water. As described above, the heat of reaction between the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c is removed by the two cooling configurations, and each is maintained at a predetermined temperature.

ここで、プロセス水の蒸発熱は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの反応熱だけでなく、改質部３ａを加熱した後に燃焼排ガス流路２７を流通する燃焼排ガスの熱も利用されている。   Here, the heat of evaporation of the process water is not only the heat of reaction between the transformation unit 3b and the selective oxidation unit 3c but also the heat of the combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas passage 27 after heating the reforming unit 3a. Yes.

以上のように、水素生成器３での熱の授受は非常に複雑に互いに影響を与えているが、再度、整理して簡単に記すと、各反応部での反応熱と、オスガスの流量、プロセス水の流量、そして燃焼排ガスの流量は決まってくる。よって、水素生成器３の各反応部の温度を、それぞれ所定の温度でバランスさせて維持するためには、水素生成器３を構成する構造体の伝熱量を考慮して、冷却空気経路１９を流通する冷却空気の流量を調整する必要がある。   As described above, the transfer of heat in the hydrogen generator 3 influences each other in a very complicated manner, but once again arranged and briefly described, the reaction heat in each reaction part, the flow rate of male gas, The flow rate of process water and the flow rate of combustion exhaust gas are determined. Therefore, in order to keep the temperature of each reaction part of the hydrogen generator 3 balanced at a predetermined temperature, the cooling air path 19 is set in consideration of the heat transfer amount of the structure constituting the hydrogen generator 3. It is necessary to adjust the flow rate of the circulating cooling air.

ところで、原料ガスの種類が異なると、同量の水素を水素生成器３で生成するために必要となるプロセス水の量と、同量の水素を含んだ燃料ガス中の二酸化炭素の量とが異なってくる。   By the way, if the type of the raw material gas is different, the amount of process water required to generate the same amount of hydrogen in the hydrogen generator 3 and the amount of carbon dioxide in the fuel gas containing the same amount of hydrogen are increased. Come different.

具体的には、例えば、原料ガスが都市ガス（説明を簡略化するためにメタンとする）の場合は（１）式で示すように、「４」の水素を作るためには「２」のプロセス水が必要であるのに対し、原料ガスがＬＰＧ（説明を簡略化するためにプロパンとする）の場合は（２）式で示すように、「１０」の水素を作るために「６」のプロセス水が必要となる。すなわち、同量の水素を都市ガスとＬＰＧとから作るためには、原料ガスがＬＰＧの場合、原料ガスが都市ガスの場合に比べてプロセス水の量が１．２倍必要となる。   Specifically, for example, when the source gas is city gas (in order to simplify the explanation, methane is used), as shown by the equation (1), in order to produce “4” hydrogen, “2” Where process water is required, if the source gas is LPG (propane for simplicity of explanation), “6” is used to produce “10” as shown in equation (2). Process water is required. That is, in order to make the same amount of hydrogen from city gas and LPG, the amount of process water is 1.2 times greater when the source gas is LPG than when the source gas is city gas.

また、原料ガスが都市ガスの場合、（１）式で示すように、水素生成器３に供給した都市ガスが全て水素となったとすると、燃料ガス中の５分の１が二酸化炭素となるのに対し、原料ガスがＬＰＧで、前述の都市ガスの時と同様に供給したＬＰＧが全て水素となったとすると、（２）式で示すように、燃料ガス中の１３分の３が二酸化炭素となり、燃料ガス中の二酸化炭素の割合が多くなる。よって、水素生成器３で同量の水素を生成させた場合、原料ガスがＬＰＧである場合の方が都市ガスである場合よりも、二酸化炭素の割合が多い分、燃料ガスの量が多くなる。
ＣＨ４ ＋ ２Ｈ２Ｏ →ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ ・・・（１）式
Ｃ３Ｈ８ ＋ ６Ｈ２Ｏ → ３ＣＯ２ ＋ １０Ｈ２ ・・・（２）式
燃料電池２で発電によって消費される水素の量は、原料ガスの種類によって異なることはないため、オフガス中の水素量も、原料ガスの種類のよって異なることはない。よって、バーナ部３ｅでオフガス中の水素を燃焼させるのに必要な燃焼空気の量も、原料ガスの種類によって異なることはない。従って、燃焼排ガスの量は、原料ガスがＬＰＧの場合のほうが、都市ガスの場合よりも多くなる。 Further, when the source gas is city gas, as shown in the equation (1), if all the city gas supplied to the hydrogen generator 3 becomes hydrogen, one fifth of the fuel gas becomes carbon dioxide. On the other hand, if the source gas is LPG and all the supplied LPG is hydrogen as in the case of the city gas described above, as shown in the equation (2), three-thirds of the fuel gas becomes carbon dioxide. The proportion of carbon dioxide in the fuel gas increases. Therefore, when the same amount of hydrogen is generated by the hydrogen generator 3, the amount of the fuel gas is increased by the amount of carbon dioxide in the case where the source gas is LPG than in the case where the source gas is city gas. .
CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 (1) Formula C 3 H 8 + 6H 2 O → 3CO 2 + 10H 2 (2) Formula Hydrogen consumed by power generation in the fuel cell 2 The amount of hydrogen does not vary depending on the type of source gas, so the amount of hydrogen in the off-gas does not vary depending on the type of source gas. Therefore, the amount of combustion air necessary for burning the hydrogen in the off-gas in the burner part 3e does not vary depending on the type of raw material gas. Therefore, the amount of combustion exhaust gas is larger when the source gas is LPG than when it is city gas.

以上のように、原料ガスの種類が変わると、水素生成器３の各反応部の温度を決めるパラメータが変化して温度バランスが崩れてしまい、良質な燃料ガスを生成できないことがある。   As described above, when the type of the raw material gas is changed, a parameter for determining the temperature of each reaction part of the hydrogen generator 3 is changed and the temperature balance is lost, so that a good quality fuel gas may not be generated.

しかしながら、本実施の形態１の燃料電池システムでは、原料ガスの種類によって、冷
却空気経路１９の固定オリフィス１９ａの圧力損失を変えることで、カソード空気から分岐されて冷却空気経路１９に流通する冷却空気の流量を調整して、水素生成器３の各触媒の温度が所定の温度を維持してバランスするように配慮して構成設計している。 However, in the fuel cell system of the first embodiment, the cooling air that is branched from the cathode air and flows into the cooling air path 19 by changing the pressure loss of the fixed orifice 19a of the cooling air path 19 depending on the type of the raw material gas. The flow rate is adjusted so that the temperature of each catalyst in the hydrogen generator 3 is balanced while maintaining a predetermined temperature.

以上のように、本実施の形態１の燃料電池システムでは、カソード空気から分岐した冷却空気を冷却空気経路１９に流通させ、ガスの種類によって冷却空気の流量を調整することで、容易に変更設計することが可能であり、水素生成器３の各反応部の温度を所定の温度に維持することが可能である。   As described above, in the fuel cell system according to the first embodiment, the cooling air branched from the cathode air is circulated through the cooling air passage 19, and the flow rate of the cooling air is adjusted according to the type of gas. It is possible to maintain the temperature of each reaction part of the hydrogen generator 3 at a predetermined temperature.

また、本実施の形態１の燃料電池システム１では、水素生成器３を断熱材３４で覆うことにより、水素生成器３の各反応部が受ける外気温の影響を小さく抑えることが可能となり、また、水素生成器からの放熱量が少なくなることで、燃料電池システムの熱効率を向上させることが可能である。   Further, in the fuel cell system 1 of the first embodiment, by covering the hydrogen generator 3 with the heat insulating material 34, it becomes possible to reduce the influence of the outside temperature received by each reaction part of the hydrogen generator 3, and The heat efficiency of the fuel cell system can be improved by reducing the amount of heat released from the hydrogen generator.

なお、本実施の形態１の燃料電池システムでは、選択酸化部を用いたが、これはメタネーション反応を利用して燃料ガス中の一酸化炭素を除去するものを利用することも可能である。これは、選択酸化触媒に変えてメタネーション触媒を充填し、燃料ガス中の水素と一酸化炭素とを利用してメタンに変えることで燃料ガス中の一酸化炭素を除去するものであり、選択酸化空気の供給は不要となる。ただし、メタネーション反応を行うのに適した温度は、選択酸化反応を行うのに適した温度と異なる場合があるため、冷却空気の流量を調整する必要がある。   In the fuel cell system according to the first embodiment, the selective oxidation unit is used. However, it is also possible to use a selective oxidation unit that removes carbon monoxide in the fuel gas using a methanation reaction. This is a method that removes carbon monoxide in the fuel gas by filling it with a methanation catalyst instead of a selective oxidation catalyst and changing it to methane using hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas. It is not necessary to supply oxidized air. However, since the temperature suitable for performing the methanation reaction may differ from the temperature suitable for performing the selective oxidation reaction, it is necessary to adjust the flow rate of the cooling air.

また、なお、本実施の形態１の燃料電池システムでは、冷却空気経路を一酸化炭素低減部である変成部と選択酸化部との両外周に流通させたが、これは、水素生成器の各反応部の温度が所定の温度でバランスさせることが可能であれば、どちらか片方の外周でも良く、また改質部を冷却するように構成しても良い。さらには、冷却空気経路は、水素生成器の各触媒の内周側や、各触媒中を貫通する流路であっても良い。   Further, in the fuel cell system of the first embodiment, the cooling air path is circulated on both outer peripheries of the transformation unit and the selective oxidation unit, which are carbon monoxide reduction units. As long as the temperature of the reaction part can be balanced at a predetermined temperature, either one of the outer circumferences may be used, or the reforming part may be cooled. Furthermore, the cooling air path may be an inner peripheral side of each catalyst of the hydrogen generator or a flow path penetrating through each catalyst.

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。 (Embodiment 2)
Next, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図であり、図４は本実施の形態２の燃料電池システムに搭載した水素生成器の主要部縦断面図である。また、図３においても、図１と同様に、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ破線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図３でも、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。また、図３および図４において、実施の形態１で示した燃料電池システム１の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 4 is a vertical section of the main part of the hydrogen generator mounted on the fuel cell system of Embodiment 2. FIG. Also in FIG. 3, as in FIG. 1, the solid line connecting the components constituting the fuel cell system indicates the path through which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow. The arrows on the solid lines indicate the direction in which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow during normal operation. Moreover, the broken line which connects between each component has shown the input and output of the control signal. FIG. 3 also shows only the components necessary for explaining the present invention, and the illustration of other components is omitted. 3 and 4, the same components as those of the fuel cell system 1 shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図３および図４に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システム３５は、実施の形態１で示した燃料電池システム１と概ね同一の構成を示しているが、カソード空気経路１８と分岐点Ｘで分岐した冷却空気経路３６が、一酸化炭素低減部である変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを構成する構造体の外側を経由した後、再び合流点Ｙでカソード空気経路１８と合流している点で実施の形態１で示した燃料電池システム１と異なる。   As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel cell system 35 according to the second embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 1 shown in the first embodiment. After the cooling air path 36 branched at the branch point X passes through the outside of the structure constituting the transformation unit 3b and the selective oxidation unit 3c, which are carbon monoxide reduction units, the cathode air path 18 and the junction air Y again. It is different from the fuel cell system 1 shown in Embodiment 1 in that it merges.

また、冷却空気経路３６には、実施の形態１の燃料電池システム１と同様に、空気ブロ
ワ１７で供給した空気の一部所定量を冷却空気経路３６に分流するために圧力損失を調整された固定オリフィス３６ａが設けてある。 In addition, as in the fuel cell system 1 of the first embodiment, the pressure loss is adjusted in the cooling air path 36 in order to divert a predetermined amount of air supplied by the air blower 17 to the cooling air path 36. A fixed orifice 36a is provided.

以上のように構成された燃料電池システム３５では、空気ブロワ１７で供給した空気が、一旦、冷却空気経路３６に分岐されるものの、再度、カソード空気と合流して、全て燃料電池２に供給されることになる。   In the fuel cell system 35 configured as described above, the air supplied by the air blower 17 is once branched into the cooling air path 36, but again merges with the cathode air and is supplied to the fuel cell 2 entirely. Will be.

よって、空気ブロワ１７から供給する空気量を燃料電池２で発電するのに必要な最低限の流量に抑えることができるため、空気ブロワ１７の消費電力が上昇するのを抑制することが可能であるため、燃料電池システムの効率が低下するのを抑制することができる。   Therefore, since the amount of air supplied from the air blower 17 can be suppressed to the minimum flow rate necessary for generating power with the fuel cell 2, it is possible to suppress an increase in power consumption of the air blower 17. Therefore, it can suppress that the efficiency of a fuel cell system falls.

また、冷却空気経路３６を流通した冷却空気は、水素生成器３と熱交換することで加熱されるため、燃料電池２に供給されるカソード空気が加熱される。これにより、燃料電池２を流通する冷却水を介して熱回収することが可能となるため、燃料電池システムの熱回収効率を向上させることが可能となる。   Further, since the cooling air that has flowed through the cooling air path 36 is heated by exchanging heat with the hydrogen generator 3, the cathode air supplied to the fuel cell 2 is heated. As a result, heat can be recovered through the cooling water flowing through the fuel cell 2, so that the heat recovery efficiency of the fuel cell system can be improved.

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。 (Embodiment 3)
Next, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図であり、図６は本実施の形態３の燃料電池システムに搭載した水素生成器の主要部縦断面図である。図５および図６において、実施の形態１および２で示した燃料電池システム１および３５の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 6 is a vertical section of the main part of the hydrogen generator mounted on the fuel cell system of Embodiment 3. FIG. 5 and 6, the same components as those of the fuel cell systems 1 and 35 shown in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図５および図６に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム３７は、実施の形態２で示した燃料電池システム３５と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態２で示した燃料電池システム３５と異なる。   As shown in FIGS. 5 and 6, the fuel cell system 37 according to the third embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 35 shown in the second embodiment, but is implemented in the following points. This is different from the fuel cell system 35 shown in the second embodiment.

すなわち、本実施の形態３の燃料電池システム３７の水素生成器３８は、改質部３８ａと、一酸化炭素低減部として変成部３８ｂとメタネーション部３９ｃとを備えている。メタネーション部３９ｃは実施の形態２の選択酸化部３ｃの代わりに備えられている。メタネーション部３９ｃは、選択酸化触媒に変えてメタネーション触媒が充填されており、燃料ガス中の水素と一酸化炭素とを反応させてメタンに変えることで燃料ガス中の一酸化炭素を除去するものである。よって、選択酸化空気の供給は不要となるため、本実施の形態３の燃料電池システム３７には選択酸化空気経路が備えられていない。   That is, the hydrogen generator 38 of the fuel cell system 37 of the third embodiment includes a reforming unit 38a, a metamorphic unit 38b and a methanation unit 39c as a carbon monoxide reducing unit. The methanation unit 39c is provided instead of the selective oxidation unit 3c of the second embodiment. The methanation unit 39c is filled with a methanation catalyst instead of a selective oxidation catalyst, and reacts hydrogen in the fuel gas with carbon monoxide to convert it into methane, thereby removing carbon monoxide in the fuel gas. Is. Therefore, since supply of the selective oxidization air becomes unnecessary, the fuel cell system 37 of the third embodiment is not provided with the selective oxidization air path.

また、変成部３８ｂとメタネーション部３９ｃとを構成する構造体の外側には、冷却空気経路３９が備えられている。この冷却空気経路３９には、固定オリフィス３９ａが備えられ、また、カソード空気経路１８と分岐点Ｘおよび合流点Ｙで接続され、空気ブロワ１７で供給した空気の一部所定量が流通するように構成されている。   In addition, a cooling air passage 39 is provided on the outer side of the structure constituting the metamorphic part 38b and the methanation part 39c. The cooling air path 39 is provided with a fixed orifice 39a, and is connected to the cathode air path 18 at a branch point X and a junction point Y so that a predetermined amount of air supplied from the air blower 17 flows. It is configured.

また、水素生成器３８には、実施の形態１および２の水素生成器３と同様に、水蒸発部３８ｄとバーナ部３８ｅが備えられている。   Similarly to the hydrogen generator 3 of the first and second embodiments, the hydrogen generator 38 includes a water evaporation unit 38d and a burner unit 38e.

また、本実施の形態３の燃料電池システム３７では、バーナ部３８ｅには、空気ブロワ１７から供給される空気の一部または全部が供給されるように、カソード空気経路と燃焼空気経路４０とが分岐点Ｚで接続されている。燃料電池システム３７の起動運転時など、燃料電池２にカソード空気の供給を行わないときには、空気入弁２０を閉止しておくこと
で、空気ブロワ１７で供給した空気が全てバーナ部３８ｅに供給され、燃料電池２にカソード空気を供給する際には、所定の流量の燃焼空気がバーナ部３８ｅに供給されるように、燃焼空気経路の圧力損失が調整されている。 In the fuel cell system 37 of the third embodiment, the cathode air passage and the combustion air passage 40 are provided so that a part or all of the air supplied from the air blower 17 is supplied to the burner unit 38e. They are connected at a branch point Z. When the cathode air is not supplied to the fuel cell 2 such as during the start-up operation of the fuel cell system 37, all the air supplied by the air blower 17 is supplied to the burner unit 38e by closing the air inlet valve 20. When the cathode air is supplied to the fuel cell 2, the pressure loss of the combustion air path is adjusted so that the combustion air having a predetermined flow rate is supplied to the burner portion 38e.

以上のように構成された燃料電池システム３７では、燃焼空気を供給するための燃焼空気ファンが必要ないため、燃料電池システムを小型化することができる。   Since the fuel cell system 37 configured as described above does not require a combustion air fan for supplying combustion air, the fuel cell system can be downsized.

また、冷却空気経路によって一酸化炭素低減部を冷却するため、実施の形態１の燃料電池システムと同様に、原料ガスの種類が変わっても、比較的簡単な変更設計で水素生成器の温度を所定の温度にバランスさせ、良質の燃料ガスを生成させることで、燃料電池システムの運転を安定させることが可能である。   In addition, since the carbon monoxide reduction unit is cooled by the cooling air path, the temperature of the hydrogen generator can be set with a relatively simple change design even if the type of the raw material gas changes, as in the fuel cell system of the first embodiment. It is possible to stabilize the operation of the fuel cell system by generating a good quality fuel gas by balancing to a predetermined temperature.

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。 (Embodiment 4)
Next, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図７は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図７おいて、実施の形態１から３で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 7 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 7, the same components as those of the fuel cell system shown in Embodiments 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図７に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池システム４１は、実施の形態２で示した燃料電池システム３５と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態２で示した燃料電池システム３５と異なる。   As shown in FIG. 7, the fuel cell system 41 according to the fourth embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 35 shown in the second embodiment, but the second embodiment is the following point. Different from the fuel cell system 35 shown in FIG.

すなわち、変成部３ｂには温度を検出する温度センサ４３を備え、冷却空気経路４２には、冷却空気経路４２を流通する冷却空気の流量を調整する流量調整弁４２ａをさらに備えている。   That is, the transformation unit 3 b includes a temperature sensor 43 that detects the temperature, and the cooling air path 42 further includes a flow rate adjustment valve 42 a that adjusts the flow rate of the cooling air flowing through the cooling air path 42.

温度センサ４３と流量調整弁４２ａとは、それぞれ、制御部２２と電気的に接続されており、温度センサ４３で検知した温度は、信号として制御部２２に入力される。さらに温度センサ４３で検知した温度に基づいて、流量調整弁４２ａが制御部２２によって制御され、変成部３ｂの温度が所定の温度になるように冷却空気経路４２に流通される空気の流量が調整される。   The temperature sensor 43 and the flow rate adjustment valve 42a are each electrically connected to the control unit 22, and the temperature detected by the temperature sensor 43 is input to the control unit 22 as a signal. Further, based on the temperature detected by the temperature sensor 43, the flow rate adjustment valve 42a is controlled by the control unit 22, and the flow rate of the air flowing through the cooling air path 42 is adjusted so that the temperature of the transformation unit 3b becomes a predetermined temperature. Is done.

次に、以上のように構成された燃料電池システム４１の動作について説明する。燃料電池システム４１の起動運転時の動作については、他の実施の形態の燃料電池システムと同じであるため、説明を省略する。   Next, the operation of the fuel cell system 41 configured as described above will be described. About the operation | movement at the time of starting driving | operation of the fuel cell system 41, since it is the same as the fuel cell system of other embodiment, description is abbreviate | omitted.

燃料電池システムが安定して発電運転するためには、水素生成器３の各反応部の温度が所定の温度に維持されている必要がある。吸熱反応する改質部３ａは、バーナ部３ｅでのオフガスの燃焼熱と燃焼排ガスの熱とによって所定の温度に１保たれる。一方、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとは、発熱反応によって熱が発生するため、その熱を取り去ってやる必要がある。変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの内側にある第２円筒体２４を介して水蒸発部３ｄに伝わり、プロセス水の蒸発熱に利用される。さらに、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの外周を構成する第４円筒体２６を介して、第４円筒体２６の周囲に配設された冷却空気経路４２を流れる冷却空気に伝熱される。   In order for the fuel cell system to stably perform the power generation operation, the temperature of each reaction part of the hydrogen generator 3 needs to be maintained at a predetermined temperature. The reforming section 3a that performs endothermic reaction is maintained at a predetermined temperature by the combustion heat of the offgas in the burner section 3e and the heat of the combustion exhaust gas. On the other hand, since the heat is generated by the exothermic reaction in the metamorphic part 3b and the selective oxidation part 3c, it is necessary to remove the heat. Part of the reaction heat generated in the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c is transmitted to the water evaporation unit 3d via the second cylindrical body 24 inside the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c, and the process water Used for heat of evaporation. Further, a part of the reaction heat generated in the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c is transferred to the fourth cylindrical body 26 via the fourth cylindrical body 26 that constitutes the outer periphery of the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c. Heat is transferred to the cooling air flowing through the cooling air passage 42 disposed around.

変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの温度は、温度センサ４３で検知された変成部３ｂの温度に基づいて、制御部２２で流量調整弁４２ａを制御して、冷却空気経路４２に流れる冷
却空気の流量を変化させることで所定の温度になるように調整される。すなわち、温度センサ４３で検知した温度が所定温度より高いときは、冷却空気経路４２を流れる冷却空気量を増やすように流量調整弁４２ａに信号を送り、逆に温度センサ４３の温度が所定温度より低いときは、冷却空気経路４２を流れる冷却空気量を減らすように流量調整弁４２ａに信号を送り、流量調整弁４２ａで冷却空気経路４２を流れる冷却空気の流量を制御して、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとが所定温度になるようにコントロールする。 Based on the temperature of the shift unit 3b detected by the temperature sensor 43, the temperature of the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c is controlled by the control unit 22 and the cooling air flowing through the cooling air path 42 is controlled. By adjusting the flow rate, the temperature is adjusted to a predetermined temperature. That is, when the temperature detected by the temperature sensor 43 is higher than the predetermined temperature, a signal is sent to the flow rate adjusting valve 42a so as to increase the amount of cooling air flowing through the cooling air passage 42, and conversely, the temperature of the temperature sensor 43 is higher than the predetermined temperature. When it is low, a signal is sent to the flow rate adjusting valve 42a so as to reduce the amount of cooling air flowing through the cooling air passage 42, and the flow rate of the cooling air flowing through the cooling air passage 42 is controlled by the flow rate adjusting valve 42a. The selective oxidation unit 3c is controlled so as to reach a predetermined temperature.

変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを冷却した冷却空気は、カソード空気経路１８に合流し、燃料電池２に供給される。   The cooling air that has cooled the transformation unit 3 b and the selective oxidation unit 3 c joins the cathode air path 18 and is supplied to the fuel cell 2.

以上のように、本実施の形態４の燃料電池システム４１においては、カソード空気経路１８から分岐した冷却空気経路４２を、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの周囲に配設し、冷却空気経路４２を流通する空気量の調整を行う流量調整弁４２ａと、温度センサ４３により得られた温度により流量調整弁４２ａを制御する制御部２２とを設けた構成にしていることにより、流量調整弁４２ａで冷却空気経路４２を流れる冷却空気の量を制御することによって、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの冷却量を調整することができるため、例えば、原料ガスの種類を変えることで、水素生成器３の各反応部の温度バランスが変化しても、流量調整弁４２ａで冷却空気経路４２を流れる空気量を変化させて、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを所定の温度に維持し、水素生成器の各反応部の温度を、それぞれ所定の温度に保つことができる。   As described above, in the fuel cell system 41 of the fourth embodiment, the cooling air path 42 branched from the cathode air path 18 is disposed around the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c, and the cooling air path The flow rate adjusting valve 42a that adjusts the amount of air flowing through 42 and the control unit 22 that controls the flow rate adjusting valve 42a based on the temperature obtained by the temperature sensor 43 are provided. By controlling the amount of cooling air flowing through the cooling air passage 42, the amount of cooling of the transformation unit 3b and the selective oxidation unit 3c can be adjusted. For example, hydrogen generation can be achieved by changing the type of source gas. Even if the temperature balance of each reaction part of the reactor 3 changes, the amount of air flowing through the cooling air path 42 is changed by the flow rate adjusting valve 42a, so that the transformation part 3b and the selective oxidation part 3c are brought to a predetermined temperature. Lifting, and the temperature of each reaction part of the hydrogen generator can be respectively maintained at a predetermined temperature.

なお、本実施の形態４の燃料電池システムでは、変成部に温度センサを配設して変成部の温度を検知したが、これは選択酸化部の温度を検知する温度センサとしても良く、変成部と選択酸化部とのどちらか一方の温度によって、他方の温度を推測するものである。また、変成部と選択酸化部との両方の温度を検知する温度センサを、それぞれに配設しても良い。   In the fuel cell system according to the fourth embodiment, the temperature sensor is disposed in the shift unit to detect the temperature of the shift unit. However, this may be a temperature sensor that detects the temperature of the selective oxidation unit. The temperature of one of the selective oxidation part and the other is estimated. Moreover, you may arrange | position each the temperature sensor which detects the temperature of a transformation part and a selective oxidation part.

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。 (Embodiment 5)
Next, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図８は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図８おいて、先の実施の形態１から４で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 8 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention. In FIG. 8, the same components as those of the fuel cell system described in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図８に示すように、本実施の形態５に係る燃料電池システム５１は、他の実施の形態で示した燃料電池システムと概ね同一の構成を示し、特に実施の形態４で示した燃料電池システム４１と類似している。しかしながら、冷却空気経路５２に、実施の形態４の流量調整弁４２ａに代わって冷却空気の流通と遮断を切り替える開閉弁５２ａを備えている点で実施の形態４で示した燃料電池システム４１と異なる。   As shown in FIG. 8, the fuel cell system 51 according to the fifth embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system shown in the other embodiments, and in particular, the fuel cell system shown in the fourth embodiment. Similar to 41. However, it differs from the fuel cell system 41 shown in Embodiment 4 in that the cooling air path 52 is provided with an on-off valve 52a that switches between the flow and shut-off of the cooling air in place of the flow rate adjustment valve 42a of Embodiment 4. .

次に、以上のように構成された燃料電池システム５１の動作について説明する。燃料電池システム５１の起動運転時の動作については、他の実施の形態の燃料電池システムと同じであるため、説明を省略する。   Next, the operation of the fuel cell system 51 configured as described above will be described. About the operation | movement at the time of starting driving | operation of the fuel cell system 51, since it is the same as the fuel cell system of other embodiment, description is abbreviate | omitted.

燃料電池システムが安定して発電運転するためには、水素生成器３の各反応部の温度が所定の温度に維持されている必要がある。吸熱反応する改質部３ａは、バーナ部３ｅでのオフガスの燃焼熱と燃焼排ガスの熱とによって所定の温度に１保たれる。一方、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとは、発熱反応によって熱が発生するため、その熱を取り去ってやる必要がある。変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選
択酸化部３ｃとの内側にある第２円筒体２４を介して水蒸発部３ｄに伝わり、プロセス水の蒸発熱に利用される。さらに、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの外周を構成する第４円筒体２６を介して、第４円筒体２６の周囲に配設された冷却空気経路５２を流れる冷却空気に伝熱される。 In order for the fuel cell system to stably perform the power generation operation, the temperature of each reaction part of the hydrogen generator 3 needs to be maintained at a predetermined temperature. The reforming section 3a that performs endothermic reaction is maintained at a predetermined temperature by the combustion heat of the offgas in the burner section 3e and the heat of the combustion exhaust gas. On the other hand, since the heat is generated by the exothermic reaction in the metamorphic part 3b and the selective oxidation part 3c, it is necessary to remove the heat. Part of the reaction heat generated in the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c is transmitted to the water evaporation unit 3d via the second cylindrical body 24 inside the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c, and the process water Used for heat of evaporation. Further, a part of the reaction heat generated in the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c is transferred to the fourth cylindrical body 26 via the fourth cylindrical body 26 that constitutes the outer periphery of the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c. Heat is transferred to the cooling air flowing through the cooling air path 52 disposed around.

変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの温度は、温度センサ４３と制御部２２と開閉弁５２ａとで制御する。温度センサ４３で変成部３ｂの温度を検出し、その検出した温度を信号で制御部２２に送る。変成部３ｂの温度が所定温度より高いときは制御部２２から開閉弁５２ａに信号を送り、開閉弁５２ａを開放して、冷却空気経路５２に冷却空気が流れるようにする。また、変成部３ｂの温度が所定温度より低いときは、制御部２２から開閉弁５２ａに信号を送り、開閉弁５２ａを閉止させ、冷却空気経路５２に冷却空気が流れないようにする。   The temperatures of the transformation unit 3b and the selective oxidation unit 3c are controlled by the temperature sensor 43, the control unit 22, and the on-off valve 52a. The temperature sensor 43 detects the temperature of the transformation section 3b, and sends the detected temperature to the control section 22 as a signal. When the temperature of the transformation unit 3b is higher than a predetermined temperature, a signal is sent from the control unit 22 to the on-off valve 52a to open the on-off valve 52a so that the cooling air flows through the cooling air path 52. Further, when the temperature of the transformation unit 3 b is lower than the predetermined temperature, a signal is sent from the control unit 22 to the on-off valve 52 a to close the on-off valve 52 a so that the cooling air does not flow into the cooling air path 52.

このように温度センサ４３で変成部３ｂの温度を監視しながら開閉弁５２ａを制御し、冷却空気経路５２を流れる冷却空気を流通／遮断させることにより、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの温度を、所定の温度範囲になるように制御し、水素生成器３の熱バランスを維持することができる。   In this way, the temperature sensor 43 controls the on-off valve 52a while monitoring the temperature of the shift section 3b, and the cooling air flowing through the cooling air path 52 is circulated / blocked, whereby the temperatures of the shift section 3b and the selective oxidation section 3c are increased. Can be controlled to be within a predetermined temperature range, and the heat balance of the hydrogen generator 3 can be maintained.

以上のように、本実施の形態５においては、カソード空気経路１８から分岐した冷却空気経路５２を、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの周囲に配設し、さらに冷却空気経路５２に冷却空気を流通または遮断する開閉弁５２ａを設けたことにより、冷却空気経路５２を流れる冷却空気を流通または遮断させることができるため、例えば、環境温度が変化して冷却空気経路５２に供給される冷却空気の温度が変化しても、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを所定の温度範囲で維持し、水素生成器３の熱バランスを保つことができる。   As described above, in the fifth embodiment, the cooling air path 52 branched from the cathode air path 18 is disposed around the shift unit 3b and the selective oxidation unit 3c, and the cooling air path 52 further includes cooling air. By providing the on-off valve 52a that circulates or shuts off the cooling air, it is possible to circulate or shut off the cooling air flowing through the cooling air path 52. For example, the cooling air supplied to the cooling air path 52 when the environmental temperature changes Even when the temperature of the gas generator changes, the shift portion 3b and the selective oxidation portion 3c can be maintained within a predetermined temperature range, and the heat balance of the hydrogen generator 3 can be maintained.

また、原料ガスの種類が変わっても、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを所定の温度範囲で維持し、水素生成器３の熱バランスを保つことができる。   Moreover, even if the kind of source gas changes, the shift | alteration part 3b and the selective oxidation part 3c can be maintained in a predetermined temperature range, and the heat balance of the hydrogen generator 3 can be maintained.

なお、実施の形態１から５において、冷却空気経路を変成部と選択酸化部またはメタネーション部の周囲に配設しているが、改質部の周囲に配設して改質部を冷却する構成や、冷却空気経路を変成部と、選択酸化部またはメタネーション部と、さらには改質部の周囲に配設して、各反応部を冷却する構成として各反応部の温度を所定の温度にバランスさせることも可能である。   In the first to fifth embodiments, the cooling air path is arranged around the transformation unit and the selective oxidation unit or the methanation unit, but is arranged around the reforming unit to cool the reforming unit. The temperature of each reaction unit is set to a predetermined temperature as a configuration and a cooling air path is arranged around the transformation unit, the selective oxidation unit or the methanation unit, and the reforming unit to cool each reaction unit. It is also possible to balance them.

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、天然ガスやＬＰＧ等の炭化水素系原料を水蒸気改質して利用する燃料電池システムの用途に適用できる。   As described above, the fuel cell system according to the present invention can be applied to the use of a fuel cell system in which a hydrocarbon-based raw material such as natural gas or LPG is steam-reformed.

１，３５，３７，４１，５１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２ａ アノード流路
２ｂ カソード流路
３，３８ 水素生成器
３ａ，３８ａ 改質部
３ｂ，３８ｂ 変成部
３ｃ 選択酸化部
３ｄ，３８ｄ 水蒸発部
３ｅ，３８ｅ バーナ部
４ 原料ガス供給装置
５ 原料ガス供給経路
６ プロセス水供給ポンプ
７ プロセス水タンク
８ 選択酸化空気経路
９ 燃焼空気ファン
１０，４０ 燃焼空気経路
１１ 燃料ガス経路
１２ オフガス経路
１３ バイパス経路
１４ 燃料入弁
１５ 燃料出弁
１６ バイパス弁
１７ 空気ブロワ
１８ カソード空気経路
１９，３６，３９，４２，５２ 冷却空気経路
１９ａ，３６ａ，３９ａ 固定オリフィス
２０ 空気入弁
２１ カソード排空気経路
２２ 制御部
２３ 第１円筒体
２４ 第２円筒体
２５ 第３円筒体
２６ 第４円筒体
２７ 燃焼排ガス流路
２８ 第１のガス流路
２９ 第２のガス流路
３０ 燃焼室
３１ 排気折り返し部
３２ 原料折り返し部
３３ 流路規定部材
３４ 断熱材
４２ａ 流量調整弁
４３ 温度センサ
５２ａ 開閉弁
Ｘ，Ｚ 分岐点
Ｙ 合流点 1, 35, 37, 41, 51 Fuel cell system 2 Fuel cell 2a Anode flow path 2b Cathode flow path 3, 38 Hydrogen generator 3a, 38a Reforming section 3b, 38b Transformation section 3c Selective oxidation section 3d, 38d Water evaporation section 3e, 38e Burner section 4 Raw material gas supply device 5 Raw material gas supply path 6 Process water supply pump 7 Process water tank 8 Selective oxidation air path 9 Combustion air fan 10, 40 Combustion air path 11 Fuel gas path 12 Off gas path 13 Bypass path 14 Fuel inlet valve 15 Fuel outlet valve 16 Bypass valve 17 Air blower 18 Cathode air path 19, 36, 39, 42, 52 Cooling air path 19a, 36a, 39a Fixed orifice 20 Air inlet valve 21 Cathode exhaust air path 22 Controller 23 No. 23 1 cylindrical body 24 2nd cylindrical body 25 3rd cylindrical body 26 4th cylindrical body 7 Combustion exhaust gas flow path 28 1st gas flow path 29 2nd gas flow path 30 Combustion chamber 31 Exhaust folding | returning part 32 Raw material folding | returning part 33 Flow path regulation member 34 Heat insulating material 42a Flow control valve 43 Temperature sensor 52a On-off valve X, Z branch point Y junction

Claims (9)

燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、
原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素低減部とを有する水素生成器と、
燃焼用ガスを燃焼させ前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方に空気供給経路を介して空気を供給する空気供給手段と、
前記空気供給経路から分岐して前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の周囲に前記空気供給手段で供給する空気の一部を流通させる冷却空気経路とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power using fuel gas and air;
A hydrogen generator having a reforming unit that generates a hydrogen-rich fuel gas from a raw material and water, and a carbon monoxide reducing unit that reduces a carbon monoxide concentration in the fuel gas generated in the reforming unit;
A combustion section that burns combustion gas and heats the reforming section;
Air supply means for supplying air to the at least one of the fuel cell and the combustion section via an air supply path;
A cooling air path that branches off from the air supply path and distributes a part of the air supplied by the air supply means around at least one of the reforming section and the carbon monoxide reduction section. A fuel cell system. 前記一酸化炭素低減部は、前記改質部からの燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、水性ガスシフト反応を利用して低減する変成部と、メタネーション反応を利用して低減するメタネーション部及び酸化反応を利用して低減する選択酸化部のうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The carbon monoxide reducing section includes a metamorphic section that reduces the carbon monoxide concentration in the fuel gas from the reforming section using a water gas shift reaction, a methanation section that reduces using a methanation reaction, and 2. The fuel cell system according to claim 1, comprising at least one of selective oxidation units that are reduced by utilizing an oxidation reaction. 前記冷却空気経路は、前記空気供給経路から分岐して前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の周囲に前記空気供給手段で供給する空気の一部を流通させた後、前記空気供給経路との分岐点より下流の前記空気供給経路に合流することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 The cooling air path is branched from the air supply path, and after a part of the air supplied by the air supply means is circulated around at least one of the reforming unit and the carbon monoxide reduction unit, 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system joins the air supply path downstream from a branch point with the air supply path. 前記空気供給手段は、前記燃料電池に空気を供給する空気ブロワであり、前記空気供給経路は、前記燃料電池に空気を供給するカソード空気経路であり、前記冷却空気経路は、前記カソード空気経路と前記燃料電池の上流側で合流することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The air supply means is an air blower that supplies air to the fuel cell, the air supply path is a cathode air path that supplies air to the fuel cell, and the cooling air path is the cathode air path. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cells merge at the upstream side of the fuel cell. 前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の温度を検知する温度センサと、前記冷却空気経路を流通する空気量を調整する調整手段と、前記温度センサで検知した温度に基づいて前記調整手段を制御する制御部とをさら備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 Based on a temperature sensor that detects the temperature of at least one of the reforming unit and the carbon monoxide reduction unit, an adjustment unit that adjusts the amount of air flowing through the cooling air path, and a temperature detected by the temperature sensor The fuel cell system according to claim 1, further comprising a control unit that controls the adjusting unit. 前記調整手段が、前記冷却空気経路に備えられた開閉弁であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。 6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the adjusting means is an on-off valve provided in the cooling air path. 前記制御部は、前記温度センサで検知する温度が所定温度よりも高くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に空気を流通させ、前記温度センサで検知する温度が前記所定温度よりも低くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に流通する空気を遮断することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。 When the temperature detected by the temperature sensor becomes higher than a predetermined temperature, the control unit controls the adjusting means to flow air through the cooling air path, and the temperature detected by the temperature sensor is lower than the predetermined temperature. 7. The fuel cell system according to claim 5, wherein the adjustment means is controlled to block air flowing through the cooling air path. 前記所定温度は第１の所定温度と、前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度で構成され、前記制御部は、前記温度センサで検知する温度が前記第１の所定温度よりも高くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に空気を流通させ、前記温度センサで検知する温度が前記第２の所定温度よりも低くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に流通する空気を遮断することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。 The predetermined temperature includes a first predetermined temperature and a second predetermined temperature lower than the first predetermined temperature, and the control unit detects a temperature detected by the temperature sensor from the first predetermined temperature. When the temperature rises, the adjusting means is controlled to circulate air through the cooling air path, and when the temperature detected by the temperature sensor becomes lower than the second predetermined temperature, the adjusting means is controlled to circulate through the cooling air path. The fuel cell system according to claim 7, wherein air to be cut off is blocked. 前記改質部と前記一酸化炭素低減部とを収納する筐体と、前記筐体の外周に配された断熱材とをさらに備え、前記冷却空気経路を前記筐体の外側で、かつ前記断熱材の内側に配したことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 A housing that houses the reforming unit and the carbon monoxide reduction unit, and a heat insulating material disposed on an outer periphery of the housing, further comprising the cooling air path outside the housing and the heat insulation. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel cell system is disposed inside the material.
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