JP2807733B2 - Fuel cell generator - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 （発明の産業上利用分野） 本発明は、燃料電池発電装置、さらに詳細には小型に
して長期間安定した電力を提供する燃料電池発電装置に
関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell power generator, and more particularly, to a fuel cell power generator which is small in size and provides stable power for a long period of time.
（従来技術） 燃料電池の燃料としては、メタノール燃料あるいは都市
ガスや天然ガスのようにメタンを主成分とした気体化石
燃料が広く用いられている。メタノールの場合、液体で
あるため貯蔵や取り扱いが簡単であり、また改質装置が
簡単な構造であるという利点がある反面、連続運転時に
は定期的に燃料の補給をしなければならないなどの欠点
があるため、主に都市ガスの供給が難しい離島用、ある
いは小型の燃料電池発電装置用として用いられる。(Prior Art) As a fuel for a fuel cell, a gaseous fossil fuel containing methane as a main component, such as methanol fuel or city gas or natural gas, is widely used. Methanol has the advantage of being easy to store and handle because it is a liquid, and has the advantage that the reformer has a simple structure.On the other hand, it has disadvantages such as the need to periodically refuel during continuous operation. Therefore, it is mainly used for remote islands where supply of city gas is difficult, or for small fuel cell power generators.
第３図に示すメタノールを燃料とした場合の燃料電池
発電装置の構成図を用いて燃料供給系の動作を説明す
る。The operation of the fuel supply system will be described with reference to the configuration diagram of the fuel cell power generator in the case where methanol is used as the fuel shown in FIG.
改質反応に必要な水と所定の比率で混合されたメタノ
ールＭはポンプ１で気化器２に送られ気化した後、改質
装置３に入る。改質装置３の中には改質触媒が充填して
あり、メタノールを水素に富んだガスＲに改質してい
る。この改質反応は吸熱反応であるため、燃料電池４の
燃料極５からの排ガスＳを燃焼させることにより、触媒
の温度を200〜300℃に維持する。メタノールと水の混合
比を適当に選ぶことにより、改質ガスＲ中の一酸化酸素
濃度を１％以下にすることができるので、次に示す都市
ガスの場合のような一酸化炭素変成器を必要とせず、直
接燃料極５へ導くことができる。Methanol M mixed at a predetermined ratio with water required for the reforming reaction is sent to the vaporizer 2 by the pump 1 and vaporized, and then enters the reformer 3. The reforming device 3 is filled with a reforming catalyst, and reforms methanol into a gas R rich in hydrogen. Since the reforming reaction is an endothermic reaction, the temperature of the catalyst is maintained at 200 to 300 ° C. by burning the exhaust gas S from the fuel electrode 5 of the fuel cell 4. By appropriately selecting the mixing ratio of methanol and water, the concentration of oxygen monoxide in the reformed gas R can be reduced to 1% or less. It is not necessary and can be led directly to the fuel electrode 5.
一方、天然ガスや都市ガスの場合、ガスの配管だけで
容易に燃料の供給ができ大量の燃料を貯蔵しておく必要
がないため、長期間連続で運転する燃料電池発電装置の
燃料に適している。On the other hand, in the case of natural gas and city gas, fuel can be easily supplied only by gas piping and there is no need to store a large amount of fuel. I have.
第４図に示す都市ガスを燃料とした場合の燃料電池発
電装置の構成図を用いて燃料供給系の動作を説明する。The operation of the fuel supply system will be described with reference to the configuration diagram of the fuel cell power generation device using city gas as fuel shown in FIG.
燃料である都市ガスＡは、水素に富んだ改質ガスＲと
混合されて脱硫装置６に入る。ここで硫化水素の形でイ
オウを除去した後、水蒸気Ｈと混合され改質器７に入
る。改質器７の中には充填された改質触媒により、燃料
Ａは水素に富んだガスＱに改質される。この改質反応に
必要な熱量は燃料電池４の燃料極５からの排ガスＳを空
気Ｏと共に改質装置内のバーナで燃焼させることによっ
て供給し、改質反応に適した約800℃の温度を維持して
いる。改質器７を出たガスＱは約15％の一酸化炭素を含
んでおり、このまま燃料電池に導くと燃料極の白金触媒
を被毒してしまう。このため、高温及び低温の２段の一
酸化炭素変成器８、９を通過させ、一酸化炭素濃度を１
％以下にしている。一酸化炭素変成器８、９には、例え
ば高温用としては鉄−クロム系、低温用としては銅−亜
鉛系の触媒を用いる。場合によっては、低温の一酸化炭
素変成器９のみを設置する例も見られる。また、図には
示していないが、一酸化炭素の二酸化炭素への変成反応
は発熱反応であるため変成器の前後に熱交換器を設ける
ことが多い。The city gas A, which is the fuel, is mixed with the hydrogen-rich reformed gas R and enters the desulfurizer 6. Here, after removing sulfur in the form of hydrogen sulfide, it is mixed with steam H and enters the reformer 7. The fuel A is reformed into a gas Q rich in hydrogen by the reforming catalyst filled in the reformer 7. The amount of heat required for the reforming reaction is supplied by burning the exhaust gas S from the fuel electrode 5 of the fuel cell 4 together with the air O in a burner in the reforming apparatus, and the temperature of about 800 ° C. suitable for the reforming reaction is supplied. Have maintained. The gas Q leaving the reformer 7 contains about 15% of carbon monoxide, and if it is led to the fuel cell as it is, it will poison the platinum catalyst of the fuel electrode. For this reason, the carbon monoxide is passed through two stages of high and low temperature carbon monoxide converters 8 and 9 to reduce the carbon monoxide concentration to 1
% Or less. For the carbon monoxide converters 8 and 9, for example, an iron-chromium-based catalyst is used for high temperature, and a copper-zinc-based catalyst is used for low temperature. In some cases, only the low-temperature carbon monoxide converter 9 is installed. Although not shown in the figure, since the conversion reaction of carbon monoxide to carbon dioxide is an exothermic reaction, a heat exchanger is often provided before and after the converter.
（発明が解決する問題点） ところで、この都市ガスを燃料にした燃料電池発電装
置の場合、先に述べたようにガスの配管だけで容易に燃
料の供給ができる反面、大地震の時には、ガスの配給が
停止される可能性があるため、長時間無瞬断で電力を供
給する必要のある発電装置、例えば通信用電源に用いる
場合、大きな問題となっている。これを解決するため、
メタノールを予備燃料とすることが考えられるが、都市
ガスとメタノールとでは改質触媒、改質温度を始め、改
質装置が大きく異なるため、２種類の改質装置を併設す
る必要がある。しかし、第５図に示す例のように、平常
時使用しないメタノール用燃料供給系を単に並列に付加
することは、燃料電池発電装置の小型化の妨げになるば
かりか、装置価格を上昇させるため大きな問題となる。(Problems to be Solved by the Invention) In the case of a fuel cell power generator using city gas as fuel, fuel can be easily supplied only by gas piping as described above, but on the other hand, in the case of a major earthquake, gas Distribution may be stopped, which is a serious problem when used in a power generation device that needs to supply power without interruption for a long time, for example, a power supply for communication. To solve this,
Although it is conceivable that methanol is used as a reserve fuel, the city gas and the methanol are greatly different in the reforming device including the reforming catalyst and the reforming temperature, so that two types of reforming devices must be provided. However, simply adding a fuel supply system for methanol that is not normally used in parallel as in the example shown in FIG. 5 not only hinders downsizing of the fuel cell power generator, but also increases the price of the apparatus. It is a big problem.
本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、小
型で長寿命低価格にして、無瞬断で都市ガスから予備燃
料であるメタノールに燃料の切り換えをする燃料電池発
電装置を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a fuel cell power generation device that is small in size, has a long service life and is inexpensive, and that switches fuel from city gas to methanol as a spare fuel without instantaneous interruption. With the goal.
（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するため、本発明による燃料電池発
電装置は都市ガスあるいは天然ガス供給源の下流に設け
られた、都市ガスあるいは天然ガス用改質触媒を内蔵し
た改質装置のあとにメタノール用改質触媒を内蔵した改
質装置を直列に配置すると共に、前記メタノール改質装
置にメタノール供給源を接続した燃料供給系を有し、前
記都市ガスあるいは天然ガスの供給が停止されたとき、
前記メタノール供給源よりメタノール改質装置にメタノ
ールを供給するための手段と前記メタノール改質装置を
加熱する手段とを備えたことを特徴としている。(Means for Solving the Problems) In order to solve the above problems, the fuel cell power generator according to the present invention uses a reforming catalyst for city gas or natural gas provided downstream of a city gas or natural gas supply source. A reformer having a built-in reforming catalyst for methanol is arranged in series after the built-in reformer, and a fuel supply system in which a methanol supply source is connected to the methanol reformer is provided. When the gas supply is stopped,
The apparatus is characterized in that it comprises means for supplying methanol from the methanol supply source to the methanol reformer and means for heating the methanol reformer.
本発明による第二の燃料電池発電装置は、都市ガスあ
るいは天然ガス供給源の下流に設けられた、都市ガスあ
るいは天然ガス用改質触媒を内蔵した改質装置と、この
改質装置の下流に直列に接続され、かつメタノール供給
源が接続されたメタノール用改質触媒を内蔵した改質装
置との間に、高温一酸化炭素変成器を直列に配置した燃
料供給系を有し、前記都市ガスあるいは天然ガスの供給
が停止されたとき、前記メタノール供給源よりメタノー
ル改質装置にメタノールを供給するための手段と前記メ
タノール改質装置を加熱する手段とを備えたことを特徴
としている。A second fuel cell power generator according to the present invention includes a reformer provided with a city gas or natural gas reforming catalyst provided downstream of a city gas or natural gas supply source, and a reformer downstream of the reformer. A fuel supply system in which a high-temperature carbon monoxide converter is arranged in series between a reformer that is connected in series and has a built-in methanol reforming catalyst to which a methanol supply source is connected; Alternatively, when the supply of the natural gas is stopped, a means for supplying methanol to the methanol reformer from the methanol supply source and a means for heating the methanol reformer are provided.
本発明は、都市ガスあるいは天然ガス用改質触媒を内
蔵した改質装置のあとに、メタノール用改質触媒を内蔵
した改質装置を直列に配置するか、またはこれら２つの
改質装置の間に高温一酸化炭素変成器を直列に配置した
燃料供給系を有することを主たる特徴とする燃料電池発
電装置に関するものである。前述したように、平常時の
燃料として使用している都市ガスが、大地震などにより
供給を停止したときにも発電を継続できる燃料電池発電
装置を実現するためには、従来の技術では、都市ガスあ
るいは天然ガス用とメタノール用の２つの燃料供給系を
備えておく必要があった。このため、燃料電池の大きさ
はより大きくなり、また装置の価格を上昇させる原因に
もなる。本発明では、メタノール改質用触媒として都市
ガス用燃料供給系の低温一酸化炭素変成器の触媒と同様
のものを使用できることに着目し、該一酸化炭素変成器
の代わりにメタノール改質装置を設置した構成としてい
る。The present invention relates to a method in which a reformer incorporating a reforming catalyst for methanol is disposed in series with a reformer incorporating a reforming catalyst for city gas or natural gas, or a reformer incorporating a reforming catalyst for methanol is provided between these two reformers. And a fuel supply system in which a high-temperature carbon monoxide converter is arranged in series. As described above, in order to realize a fuel cell power generation device that can continue generating electricity even when the supply of city gas used as fuel during normal times is stopped due to a large earthquake, the conventional technology requires It was necessary to provide two fuel supply systems for gas or natural gas and for methanol. For this reason, the size of the fuel cell becomes larger, and it also increases the cost of the device. The present invention focuses on the fact that a catalyst similar to that of a low-temperature carbon monoxide converter in a city gas fuel supply system can be used as a methanol reforming catalyst, and a methanol reformer is used instead of the carbon monoxide converter. It is configured to be installed.
（実施例） 本発明を図面に基づいて説明する。第１図は本発明の
第１の実施例を説明する図である。平常時、燃料である
都市ガスは、第４図において説明したのと同様に脱硫装
置６を通ったあと、改質触媒C1を充填した都市ガス用改
質装置７で改質され、水素ガスに富んだ改質ガスＱにな
る。なおバルブ23および24は改質装置７の温度を調節す
るためのバルブである。改質ガスＱは、バルブ29を通っ
て改質触媒C2を充填したメタノール改質装置３に入る。
ここで改質触媒C1としては、例えばアルミナ担体上にNi
Oを担持したものか（例えばアルミナ担体にNiOを10〜25
％担持した触媒）、あるいはアルミナ担体上にNiOを担
持した触媒にさらに、アルカリ金属の酸化物、アルカリ
土類金属の酸化物、希土類元素の酸化物などの一種以上
を添加した触媒などを使用することができ、また、改質
触媒C2としては、例えば銅−亜鉛系（例えば酸化銅とし
て25〜30％の銅を含むもの）あるいは銅−クロム系など
の一種以上が、優れた効果を発揮する。もちろん、触媒
としてはこれらに限定されるものではない。(Example) The present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention. In normal times, the city gas, which is the fuel, passes through the desulfurization device 6 in the same manner as described with reference to FIG. 4, and is reformed by the city gas reforming device 7 filled with the reforming catalyst C1 to be converted into hydrogen gas. It becomes rich reformed gas Q. The valves 23 and 24 are valves for adjusting the temperature of the reformer 7. The reformed gas Q enters the methanol reformer 3 filled with the reforming catalyst C2 through the valve 29.
Here, as the reforming catalyst C1, for example, Ni on an alumina support
O supported (e.g., 10 to 25 NiO on alumina support)
% Supported catalyst), or a catalyst obtained by adding one or more of an oxide of an alkali metal, an oxide of an alkaline earth metal, and an oxide of a rare earth element to a catalyst in which NiO is supported on an alumina carrier. In addition, as the reforming catalyst C2, for example, one or more of copper-zinc-based (for example, copper oxide containing 25 to 30% of copper) or copper-chromium-based, exhibits excellent effects. . Of course, the catalyst is not limited to these.
メタノール改質装置３において改質ガスＱ中の一酸化
炭素は二酸化炭素に変成される。この変成反応は発熱で
あるため、都市ガス使用時にはバルブ25および26は閉じ
ておき、メタノール改質装置３のバーナは使用しない。
ガスＱの温度が高すぎる場合には、図には示していない
が、メタノール改質装置３の前に熱交換器を接続するこ
とにより改質触媒C2の温度を適切な温度範囲150〜300℃
にすることができる。またバルブ26を開け、改質装置の
バーナから空気を流入させることにより、熱交換器なし
でも触媒温度を適切な値に維持することが容易に可能と
なり、また空気の予熱器として使用することができる。In the methanol reformer 3, carbon monoxide in the reformed gas Q is converted to carbon dioxide. Since the shift reaction is exothermic, the valves 25 and 26 are closed when city gas is used, and the burner of the methanol reformer 3 is not used.
If the temperature of the gas Q is too high, although not shown in the figure, by connecting a heat exchanger before the methanol reformer 3, the temperature of the reforming catalyst C2 can be adjusted to an appropriate temperature range of 150 to 300 ° C.
Can be In addition, by opening the valve 26 and allowing air to flow from the burner of the reformer, it is possible to easily maintain the catalyst temperature at an appropriate value without a heat exchanger, and to use it as an air preheater. it can.
平常時の燃料である都市ガスの供給が停止した場合
は、直ちにメタノール燃料送出用ポンプ１を起動し、バ
ルブ30を介して改質装置内にメタノールを供給する（メ
タノール燃料送出用ポンプ１及びバルブ30によりメタノ
ールを供給するための手段が構成される）。メタノール
はすでに変成反応熱で温まっている改質装置３内で瞬時
に気化し、改質触媒C2を通過し改質され、１％以下の一
酸化炭素を含む水素に富んだガスＲになり、燃料電池４
の燃料極５に導かれる。また、メタノール燃料に切り換
わると同時にバルブ25および26を開き、改質装置３の加
熱用バーナを点火し、気化および改質反応に必要な熱を
供給する（バルブ25、26及び加熱用バーナでメタノール
改質装置を加熱する手段が構成される）。改質装置３の
温度は予め動作温度領域になっているため温度の確立に
時間を必要とせず、無瞬断で燃料を切り換えることがで
きる。When the supply of city gas, which is fuel in normal times, is stopped, the methanol fuel delivery pump 1 is started immediately, and methanol is supplied into the reformer via the valve 30 (the methanol fuel delivery pump 1 and the valve 30 constitutes means for supplying methanol). Methanol is instantaneously vaporized in the reformer 3 already heated by the heat of the shift reaction, passes through the reforming catalyst C2, is reformed, and becomes a hydrogen-rich gas R containing 1% or less of carbon monoxide, Fuel cell 4
To the fuel electrode 5. At the same time as switching to the methanol fuel, the valves 25 and 26 are opened to ignite the heating burner of the reformer 3 and supply the heat required for the vaporization and the reforming reaction (with the valves 25 and 26 and the heating burner). Means for heating the methanol reformer is configured). Since the temperature of the reformer 3 is in the operating temperature range in advance, no time is required for establishing the temperature, and the fuel can be switched without any instantaneous interruption.
第２図は本発明の別の実施例である。第１図において
都市ガス用改質装置７とメタノール改質装置３との間に
例えば鉄−クロム系触媒を充填した高温一酸化炭素変成
器８が追加配置された構成である。動作は第１図と同じ
であるが、都市ガス用改質器の動作温度800℃と燃料電
池の動作温度約200℃間の熱勾配をうまく利用して、一
酸化炭素の変成反応を高温および低温の２段に分け効率
良く実施している。このような構成にすることにより、
実施例１の場合よりも一酸化炭素の濃度が一段と薄くな
り、燃料電池４の燃料極５および改質触媒C2の寿命をよ
り長くすることができる。FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. In FIG. 1, a high-temperature carbon monoxide converter 8 filled with, for example, an iron-chromium catalyst is additionally provided between a city gas reformer 7 and a methanol reformer 3. The operation is the same as that of FIG. 1, but the thermal gradient between the operating temperature of the reformer for city gas 800 ° C. and the operating temperature of the fuel cell is approximately 200 ° C., and the conversion reaction of carbon monoxide is performed at a high temperature and It is implemented efficiently in two stages of low temperature. With such a configuration,
The concentration of carbon monoxide is much lower than in the first embodiment, and the life of the fuel electrode 5 and the reforming catalyst C2 of the fuel cell 4 can be made longer.
（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明は、都市ガスを
平常時の燃料とする燃料電池の燃料供給系の構成要素で
ある一酸化炭素変成器をメタノール改質装置に置き換え
る構成を取ることにより、無瞬断で都市ガスから予備燃
料であるメタノールに燃料を切り換えて発電を続けるこ
とができる小型で長寿命の燃料電池発電装置を実現する
ことができる。また、負荷急増時に、メタノール燃料を
一時的に注入することにより都市ガス改質系の応答遅れ
を補償することができる。(Effects of the Invention) As is apparent from the above description, the present invention replaces a carbon monoxide converter, which is a component of a fuel supply system of a fuel cell using city gas as a normal fuel, with a methanol reformer. By adopting the configuration, it is possible to realize a small-sized and long-life fuel cell power generation device that can switch fuel from city gas to methanol, which is a spare fuel, without interruption and continue power generation. Further, at the time of a sudden increase in the load, the response delay of the city gas reforming system can be compensated by temporarily injecting the methanol fuel.
上記実施例においては、都市ガスを使用する場合につ
いて説明したが、天然ガスを使用する場合を同様である
ことは明らかである。In the above embodiment, the case where city gas is used has been described, but it is clear that the case where natural gas is used is the same.
第１図は本発明の第１の実施例の構成図、第２図は本発
明の別の実施例の構成図、第３図はメタノールを燃料と
した従来の燃料電池発電装置の構成図、第４図は都市ガ
スを燃料とした従来の燃料電池発電装置の構成図、第５
図は従来の技術を用いて都市ガスを平常時の燃料とし、
メタノールを予備燃料とした燃料電池発電装置の構成図
である。 ３……メタノール改質装置、４……燃料電池、７……都
市ガス改質装置、Ａ……都市ガス源、Ｍ……メタノール
源、Ｖ……バルブ。FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram of another embodiment of the present invention, FIG. 3 is a block diagram of a conventional fuel cell power generator using methanol as fuel, FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional fuel cell power generator using city gas as fuel, and FIG.
The figure shows that city gas is used as normal fuel using conventional technology.
FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel cell power generator using methanol as a reserve fuel. 3 ... methanol reformer, 4 ... fuel cell, 7 ... city gas reformer, A ... city gas source, M ... methanol source, V ... valve.
Claims (2)
設けられた、都市ガスあるいは天然ガス用改質触媒を内
蔵した改質装置のあとにメタノール用改質触媒を内蔵し
た改質装置を直列に配置すると共に、前記メタノール改
質装置にメタノール供給源を接続した燃料供給系を有
し、前記都市ガスあるいは天然ガスの供給が停止された
とき、前記メタノール供給源よりメタノール改質装置に
メタノールを供給するための手段と前記メタノール改質
装置を加熱する手段とを備えたことを特徴とする燃料電
池発電装置。1. A reformer having a built-in reforming catalyst for city gas or natural gas, which is provided downstream of a supply source for city gas or natural gas, followed by a reformer having a built-in reforming catalyst for methanol in series. And a fuel supply system in which a methanol supply source is connected to the methanol reformer, and when supply of the city gas or natural gas is stopped, methanol is supplied from the methanol supply source to the methanol reformer. A fuel cell power generator comprising: means for supplying; and means for heating the methanol reformer.
設けられた、都市ガスあるいは天然ガス用改質触媒を内
蔵した改質装置と、この改質装置の下流に直列に接続さ
れ、かつメタノール供給源が接続されたメタノール用改
質触媒を内蔵した改質装置との間に、高温一酸化炭素変
成器を直列に配置した燃料供給系を有し、前記都市ガス
あるいは天然ガスの供給が停止されたとき、前記メタノ
ール供給源よりメタノール改質装置にメタノールを供給
するための手段と前記メタノール改質装置を加熱する手
段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。2. A reformer provided with a city gas or natural gas reforming catalyst provided downstream of a city gas or natural gas supply source, and a reformer connected in series downstream of the reformer and methanol There is a fuel supply system in which a high-temperature carbon monoxide converter is arranged in series between a supply device and a reformer incorporating a methanol reforming catalyst, and the supply of the city gas or natural gas is stopped. A fuel cell power generator, comprising: means for supplying methanol from the methanol supply source to the methanol reformer when heated, and means for heating the methanol reformer.
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