JP3813391B2 - Solid polymer fuel cell power generator and method of operating the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転温度が水の沸点以下である固体高分子型燃料電池発電装置に係り、特に、燃料改質に水蒸気と空気などの酸素を含むガスを使用する固体高分子型燃料電池発電装置の構成とその運転方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池発電装置とは、連続して供給される流体を原料に電気化学反応を行うことにより、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。その基本的な機器構成を図26に示す。図に示すように燃料電池発電装置の主要構成機器として、燃料電池1、改質器2、一酸化炭素変成器3、排気ガスバーナー4、水凝縮器5が設けられている。
【0003】
燃料電池1はイオン伝導性の電解質層とその両面に配置される燃料極11及び酸化剤極12を基本構成単位とし、通常はこれを複数単位積層して構成される。燃料極11に供給されるガスは水素を含有し、燃料電池1にて電力を発生する電気化学反応により水素は水に酸化される。この燃料電池1に供給される水素を含有するガスは改質器2にて製造される。
【0004】
改質器2は改質触媒層21を有し、ここで燃料を水蒸気とともに気相での触媒反応により改質し、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水を主成分とする水素リッチガスを提供する。燃料は水素原子及び炭素原子をそれぞれ少なくとも一個は含む分子から構成されている。
【0005】
燃料には酸素原子は含んでもよいが窒素など水素や水との反応で塩基性化合物を生成し、酸性電解質層を用いた場合にこれを失活させるおそれがある原子、もしくは硫黄やハロゲンなど改質触媒などを被毒する可能性がある原子、金属元素など酸化物が不揮発性である原子を含む化合物は燃料として望ましくない。これらの濃度が低い物質を燃料として選定すると同時に、上記のような望ましくない物質が燃料に含まれている場合には少なくとも被毒などの影響を受けるおそれのある機器に至る前にこれらを除去する必要がある。燃料電池に好適な燃料として都市ガス、LPG、メタノール、灯油などが挙げられる。
【0006】
燃料の改質方法としては、水蒸気のみで行う水蒸気改質と、酸素もしくは空気を水蒸気と併用する部分酸化型水蒸気改質が代表的である。メタンを例にして改質器2での部分酸化型水蒸気改質反応を示す。
【0007】
【化1】
CH4 +H2 O→CO+3H2 …(1)
【化2】
CH4 +O2 →CO+H2 O+H2 …(2)
【化3】
CO+H2 O→CO2 +H2 …(3)
反応(1)は−206kJ/molの吸熱反応、標準状態で反応(2)は+278kJ/molの発熱反応で、COシフト反応と呼ばれる反応(3)は+41kJ/molの発熱反応である。水蒸気改質のみの改質器2では(1)及び(3)の反応のみがおこるため、トータルの改質反応は−165kJ/molの吸熱反応となり、CH4 あたり4つのH2 が生成する。
【0008】
しかしながらO2 を含むガスのみを酸化剤として用いる狭義の部分酸化改質では、(2)及び(3)の反応からトータルの熱収支は+319kJ/molの発熱反応となるが、CH4 当たり2つのH2 しか生成しない。水とO2 の双方を改質に使用する部分酸化型水蒸気改質での熱収支は前記2例の中間となり、O2 /CH4 =0.34で熱的にバランスし、この場合のCH4 当たりのH2 生成量は3.3である。O2 量がこのバランス値より大きい場合には改質反応でのトータル熱収支は発熱となりCH4 当たりのH2 生成量は3.3より減少し、効率は低下する。逆にこの値より小さい場合には吸熱となり、CH4 当たりのH2 生成量は3.3より増大し、効率は上昇する。
【0009】
純然たる水蒸気改質反応では大きな吸熱反応となるので、反応の維持のために外部から大量の熱を供給する必要がある。したがって、改質器2の加熱を目的として複雑な機構が不可欠となり、改質器2は一般に高価となる。一方、部分酸化型水蒸気改質反応では導入するO2 量などを調整することで改質器2の機構を簡素化でき安価で済むが、その反面、H2 の生成効率は水蒸気改質に比較して劣ることになる。
【0010】
改質触媒層21に使用する改質触媒としては例えば日産ガードラー社製G−90を初めとするニッケル系触媒などが挙げられるが、これ及び後段で挙げるCu−ZnO系低温一酸化炭素変成触媒はClなどにより被毒する。このため、改質に使用される水蒸気は蒸留水もしくはイオン交換水から発生させることが望ましい。
【0011】
一酸化炭素は燃料電池1の燃料極11にて電気化学反応を起こす触媒を被毒するため、可能な限り濃度を低下させることが必要である。改質器2でもCOシフト反応は進行するが、改質器2出口でのCO濃度は数パーセントオーダーであり、燃料極11の触媒被毒を避ける上では充分ではない。そこで、改質器2と燃料電池燃料極11の中間に一酸化炭素変成器3が設置されている。この一酸化炭素変成器3の働きにより一酸化炭素濃度を望ましいレベルにまで低減することができる。
【0012】
多くの場合、一酸化炭素変成器3は目標とする一酸化炭素濃度に応じ、複数の一酸化炭素変成器を直列に設置して構成される。一酸化炭素変成器3の例としては、低温一酸化炭素変成器31と選択酸化式一酸化炭素除去器32とが挙げられる。低温一酸化炭素変成器31はCOシフト反応を促進する触媒からなる低温一酸化炭素変成触媒層を有しており、COシフト反応の促進によりCO濃度を低下させるものである。低温一酸化炭素変成器31ではCOのシフトに伴って水素が生成するので水素の生成効率の上では有利であるが、反応が平衡反応であるため、出口の一酸化炭素濃度は出口ガス温度での平衡濃度に制約されることになる。一方、選択酸化式一酸化炭素除去器32は、充填された触媒上での水素リッチガス中の一酸化炭素と酸素との選択酸化反応により一酸化炭素濃度を低減する機器である。この選択酸化式一酸化炭素除去器32での反応は不可逆反応であるためシフト反応よりも一酸化炭素濃度を低減することが可能である。但し、一酸化炭素が水素生成に利用されないので、水素の生成効率の上では不利である。加えて一酸化炭素除去量を確保するため一酸化炭素に対して過剰量の酸素が供給され、水素の一部を酸化するので水素の生成効率は更に低くなる。このように一酸化炭素濃度が高い場合に選択酸化式一酸化炭素除去を行うことは水素生成効率の上で不利である。そのため、選択酸化式一酸化炭素除去は通常、数千ppmの一酸化炭素濃度を数十ppm以下に低下させる場合に使用される。
【0013】
ところで、前記低温一酸化炭素変成器31におけるCOシフト反応は低温で平衡上有利であるため、反応温度は300℃以下、さらに言えば200℃程度が望ましい。これに対して改質器2の運転温度は最低400℃、通常600℃以上の高温なので、改質器2から出た水素リッチガスを低温一酸化炭素変成器31に供給する際、水素リッチガスの温度を低下させなくてはならない。そのため、改質器2と低温一酸化炭素変成器31の間には水素リッチガス冷却器22が設置されている。
【0014】
また、前記都市ガス、LPG、灯油などの燃料には、有機化合物の形で微量の硫黄分が含まれており、上記の反応器に使用される各種触媒を、特に低温で被毒することがある。このような触媒の一例としてCu−ZnO系低温一酸化炭素変成触媒が挙げられる。そのため、低温一酸化炭素変成器31の前段において、硫黄分を除去する脱硫器33が設けられている。一酸化炭素と異なり、硫黄分を化学反応によって非被毒性の気体に転換することはできないので、通常、脱硫器33の前段で含硫黄有機化合物をH2 Sガス、SO2 ガスなどに変化させた上で脱硫器33にて吸収材層による吸収除去を行うようになっている。このような脱硫器33吸収材層の例としてはZnOなどが知られている。
【0015】
脱硫器33は改質器2の前段に置かれる場合と、改質器2の後段に置かれる場合とがある。脱硫器33が改質器2の前段に置かれる場合、燃料中の含硫黄有機化合物をH2 Sなどに変化させるための反応器を更にその前段に設置する必要があり、機器が煩雑で小型化が困難になるが、改質触媒層21の硫黄被毒を避ける上ではより確実である。これに対して脱硫器33が改質器2の後段に置かれる場合、含硫黄有機化合物は特段の前処理無しで改質器2にてH2 Sに変化するため、機器の簡素化・低コスト化を図ることができる。Ni系などの改質触媒も高温では硫黄被毒の影響は小さく、このような形態は可能だが、脱硫器33の代表的な吸収材であるZnOは高温で揮発性であるため、脱硫器33は水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の間に設置されることが望ましい。図26では脱硫器33は水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の間に設置されているが、上記のように改質器2の上流でもよい。
【0016】
上記のような手段により有害な不純物を除去された水素リッチガスは燃料電池1に入り、燃料電池燃料極11を通過する間に燃料電池酸化剤極12を流動する空気中に含まれる酸素との間に下記の電気化学反応が発生し、電力と熱が生成すると共に、その含有する水素が消費される。生成した電力は直流であるが、通常イナバーターを介して交流に変換され、需要端に供給される。また、生成熱は燃料電池冷却媒体径路13を流通する冷却媒体により燃料電池の外に排出される。
【0017】
【化4】
燃料極:2H2 → 4H+ +4e- …(4)
【化5】
酸化剤極:O2 +4HH+ +4e- → 2H2 O…(5)
効率の面では電気化学反応による水素リッチガス中の水素の利用率が高いほうが良いが、利用率が高くなり過ぎると水素リッチガス流量の変動や燃料電池1内での水素リッチガス配流の不均一などの要因により燃料欠乏に陥る危険がある。そのため、水素利用率は80%以下にすることが望ましい。
【0018】
燃料電池燃料極11に供給された可燃ガスの一部は未反応のまま燃料電池燃料極11から排出される。かかる未反応可燃ガスには、電気化学反応に利用されなかった水素のほか、改質器2で改質されなかった燃料や改質器2もしくは一酸化炭素変成器31で副生した炭化水素がありうる。これらをそのまま環境に排出することは安全上問題が有る。そこで、これらを燃焼するために排気ガスバーナー4が設けられている。排気ガスバーナー4の酸化剤としては燃料電池酸化剤極12排出ガスの一部もしくは大気を使用することが一般的である。排気ガスバーナー4の燃焼ガスは高温であるため、機器の加熱源として使用することができる。
【0019】
排気ガスバーナー4の燃焼ガス及びバーナー4で使用されなかった燃料電池酸化剤極12の排出ガスは、水素リッチガス製造のため添加された水及び燃料電池1及び排気ガスバーナー4で消費された燃料から発生した水を含んでいる。この水を回収するために排気ガス出口に水凝縮器5が設置されている。
【0020】
以上のような構成を有する燃料電池発電装置は、燃料電池の電解質層によっていくつかのタイプに分かれている。すなわち、燐酸を使用する燐酸型燃料電池、アルカリ水溶液を使用するアルカリ型燃料電池、溶融炭酸塩を使用する溶融炭酸塩型燃料電池、固体セラミックス電解質を用いる固体電解質型燃料電池、固体高分子電解質を使用する固体高分子電解質型燃料電池などが挙げられる。これらのうちで固体高分子電解質型燃料電池は、水の沸点以下の比較的低温で運転されるために比較的短時間で起動可能であり、かつ高出力密度が期待され、更には燐酸型に見られるような電解質の減損がないことから、近年特に注目を集めている。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子電解質型燃料電池においては発電装置としての効率を上昇させるにあたり、次のような解決すべき課題がある。発電効率は燃料からのH2 の生成効率に依存するが、これを高めるためには改質器2での反応を水蒸気改質に近づけなくてはならない。しかしそれは改質反応が吸熱側に傾くことを意味し、外部からの熱供給が必要となる。発電装置内で最大の発熱量を示す機器は燃料電池1であるが、運転温度が通常水の沸点以下の低温であるため、通常600℃以上の高温で運転される改質器2への熱供給には利用できない。従って改質器2への熱供給には、他の加熱源を用いる必要がある。そこで従来より、排気ガスバーナー4の使用が検討されている。
【0022】
また、発電装置内には改質器2に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器が設置されるが、この水蒸発器の加熱源としても排気ガスバーナー4が期待されている。これは燃料電池1の運転温度が水の沸点以下であるため、燃料電池1の発熱が水蒸気の発生にも使用できないからである。
【0023】
このように排気ガスバーナー4に対する熱源としての需要は大きいが、その発熱は燃料電池1の発熱の高々50〜60%程度しかない。通常、燃料電池1は、その燃料極11入口におけるH2 量を100とすると80を発電に消費し、その50〜60%程度を電気エネルギーに、残余の40〜50%程度を熱に変換する。従って燃料電池1の発熱は燃料極11入口におけるH2 量に換算して32〜40程度である。しかし、排気ガスバーナー4で燃焼されるH2 量は発電で消費されなかった20のみであり、燃料電池1の発熱に比較して少ない。このため、排気ガスバーナー4から発生する熱量の効率的な運用が要請されていた。
【0024】
また、燃料電池発電装置が起動するためには各機器が機能を発揮する温度にまで昇温させる必要がある。燃料極11の触媒は前述したように一酸化炭素により被毒するが、これは触媒表面に一酸化炭素が吸着し触媒活性サイトを被覆することが原因である。従って、運転前に燃料極11に流通するガス中に一酸化炭素が含まれているとこれにより触媒活性サイトが被覆され、運転開始時には燃料極11の触媒が重被毒状態に陥る可能性がある。運転中の水素リッチガス中に含まれる一酸化炭素を低減させることは勿論であるが、起動前に燃料極11に流通するガスについても一酸化炭素を低減させなくてはならない。そのため、改質器2への原料ガス導入及び発電開始に先立ち、低温一酸化炭素変成器31及び選択酸化式一酸化炭素除去器32を充分運転可能な温度に昇温させる必要がある。
【0025】
さらに、改質反応を開始するためにも改質触媒層21はある程度の温度まで昇温する必要がある。ニッケル系改質触媒を例に取ると、運転温度範囲は400℃〜1300℃とされているので、400℃程度までの昇温は必要と考えられる。改質触媒が燃焼触媒として作用し、原料ガスの燃焼による昇温が期待できるとしても、発火条件が整う温度まで改質触媒層21を昇温する必要があるので、改質器2への原料ガス導入に先立って改質器2を充分運転可能な温度にまで昇温する必要がある。
【0026】
また、水蒸発器に関して言えば、これを昇温させなければ水蒸気が発生しない。部分酸化型水蒸気改質反応では原料ガスに水蒸気を使用しなくとも水素生成が可能であるが、通常運転時の水蒸気導入を前提とした場合より投入燃料に対する発熱量が著しく増大するため、改質触媒層21が高熱で損傷する可能性がある。ニッケル系改質触媒を例に取ると耐用温度は1300℃であり、一時的にせよ局所的にせよこれ以上高温にすることは避ける必要がある。そのため、改質器2への原料ガス導入に先立ち、水蒸発器61を昇温して水蒸気が発生可能な状態にしなくてはならない。
【0027】
固体高分子型燃料電池以外のタイプ、例えば燐酸型燃料電池では各機器に流通する燃料電池冷却媒体を用いての昇温が可能であった。すなわち、低温一酸化炭素変成器31においてCu−ZnO系の低温一酸化炭素変成触媒を使用した場合、運転温度は約200℃である。しかし、これは水の沸点以下である固体高分子型燃料電池の運転温度よりも高く、燃料電池冷却媒体を使ってこの温度まで昇温させることはできない。このように、固体高分子型燃料電池発電装置を起動するためには燃料電池冷却媒体を使用できず、新たな方法が求められている。さらには、発電装置全体の小型化と高効率化を図るために、各機器のコンパクト化や放熱損失の低減が要求されていた。
【0028】
本発明は、以上のような従来技術の持つ課題を解消するために提案されたものであり、その主たる目的は、コンパクトで機器構成が簡素でありながら、停止状態から短時間で起動でき、かつ排熱を有効に回収する高効率の固体高分子型燃料電池発電装置及びその運転方法を提供することにある。
【0029】
また、本発明の他の目的は、各機器のコンパクト化及び放熱損失の低減を実現し、装置全体の小型化とさらなる高効率化を図った固体高分子型燃料電池発電装置を提案することにある。
【0030】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために提案されたものであり、水素を含むガスを燃料とし固体高分子を電解質として酸化剤極と燃料極を有する燃料電池と、燃料電池を経由して冷却媒体を循環させる燃料電池冷却媒体径路と、燃料電池冷却媒体径路の燃料電池上流から燃料電池冷却媒体を分岐しこれを燃料電池冷却媒体径路に燃料電池下流にて合流させる燃料処理系冷却媒体径路と、燃料電池冷却媒体径路で冷却媒体を循環させる冷却媒体循環ポンプと、これら冷却媒体から熱量を除去し冷却媒体の温度を調整する燃料電池冷却媒体冷却器と、燃料電池燃料極上流に設置され改質触媒層を有しこの改質触媒層において炭素原子と水素原子を分子中に少なくとも各々一個以上含む燃料及び酸素を含む気体及び水蒸気の混合気を水素リッチガスに改質する改質器と、水素リッチガス流路の改質器下流に設置され水素リッチガスと燃料処理系冷却媒体径路を流通する燃料電池冷却媒体との熱交換を行う水素リッチガス冷却器と、水素リッチガス冷却器下流に設置され低温一酸化炭素変成触媒層を有する低温一酸化炭素変成器と、低温一酸化炭素変成器上流に設置され吸収材層を有しこの吸収材層により燃料もしくは水素リッチガス中の硫黄分を吸収する脱硫器と、低温一酸化炭素変成器下流に設置され選択酸化式一酸化炭素除去触媒層を有する単数もしくは複数の選択酸化式一酸化炭素除去器と、燃料電池の燃料極からの排気ガスの全量と酸化剤極からの排気ガスの全量もしくは一部を混合して燃焼する排気ガスバーナーと、排気ガスバーナーの燃焼ガス及び酸化剤極の排気ガスの混合ガスから水を凝縮させる水凝縮器とが備えられた固体高分子型燃料電池発電装置において、次のような特徴を有している。
【0031】
請求項1の発明は、改質器に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器と、水蒸発器で発生した水蒸気を過熱する水蒸気過熱器と、改質器に供給する燃料を酸素を含むガスと混合した状態で加熱する燃料混合ガス予熱器とが設けられ、排気ガスバーナーからの燃焼ガスが、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように燃焼ガス流路が形成されたことを特徴とする。
【0032】
以上のような請求項1の発明では、燃料電池で消費されなかった可燃性物質を排気ガスバーナーで燃焼し、この燃焼ガスを水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、水凝縮器と高温の機器から順に通過させることにより、排気ガスバーナーの燃焼熱を効率よく回収することができる。これらの機器の運転温度は、その出口温度が改質器に供給する反応ガス温度である、水蒸気過熱器が最も高く、次いで燃料混合ガス予熱器、熱交換後の排気ガス温度が水の沸点程度である水蒸発器、熱交換後の排気ガス温度が燃料電池排出ガスの露点を下回る水凝縮器の順で低下する。一方、効率の面では、部分酸化型改質器での発熱を抑制することが望ましく、そのためには原料ガスの温度を可能な限り上昇させることが望ましい。従って、熱回収のための高温ガスもこの順番に従って流通させることが効率の面で最も望ましい。
【0033】
また、空気などの酸素を含んだガスと燃料との混合ガスを加熱する燃料混合ガス予熱器の運転温度は、水蒸気過熱器のそれより低く抑える必要があるが、これは水蒸気と共存しない状態で空気など酸素を含んだガスと燃料の混合ガスを加熱した場合には、水蒸気と共存した場合に比較してより低い温度で発火する可能性があるためである。
【0034】
ところで、水蒸発器で必要な温度は水蒸気の過熱や燃料混合ガスの予熱に必要な温度より低いにもかかわらず熱量としては多いので、仮に燃料混合ガス予熱に先立って水蒸発を行うと、加熱源である排気ガスバーナーの燃焼ガス温度が下がり、燃料混合ガスの温度が上がらなくなって効率の面で不利である。本発明では水蒸発器と水蒸気過熱器とを分離しているため、このような効率面での不利を回避することができ、しかも流量制御が容易である。
【0035】
請求項2の発明は、請求項1記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器の外筒部に水素リッチガス冷却器が設置され、改質器及び水素リッチガス冷却器が複合一体化されたことを特徴とする。
【0036】
以上のような請求項2の発明では、改質器及び水素リッチガス冷却器を複合一体化させることで発電装置の体積を減少させることができる。また、フロー上連続している改質器と水素リッチガス冷却器の間の接続流路を極小化することができる。さらに、より高温で運転される改質器を、より低温で運転される水素リッチガス冷却器で包囲するため、改質器表面から大気への放熱損失を抑制する機能もある。
【0037】
請求項3の発明は、請求項1または2記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、排気ガスバーナーの外筒部に水蒸気過熱器が設置され、排気ガスバーナー及び水蒸気過熱器が複合一体化されたことを特徴とする。
【0038】
請求項4の発明は、請求項3記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、排気ガスバーナー及び水蒸気過熱器が複合一体化された機器の外筒部に混合ガス予熱器が設置され、排気ガスバーナーと水蒸気過熱器と混合ガス予熱器とが複合一体化されたことを特徴とする。
【0039】
以上の請求項3または4の発明では、水蒸気過熱器もしくは燃料混合ガス予熱器を排気ガスバーナーと複合一体化させることで発電装置体積の減少が可能である。また、フローシークエンス上連続した排気ガスバーナーと水蒸気過熱器もしくは燃料混合ガス予熱器との間の接続流路を極小化できる。さらに、より高温で運転される排気ガスバーナーを、より低温で運転される水蒸気過熱器もしくは燃料混合ガス予熱器で囲むので、排気ガスバーナー表面から大気への放熱損失を抑えることができる。
【0040】
請求項5の発明は、請求項2、3または4記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器外筒部に水素リッチガス冷却器と共に水蒸発器が設置され、改質器と水素リッチガス冷却器と水蒸発器とが複合一体化されたことを特徴とする。
【0041】
上記の請求項5の発明では、改質器に水素リッチガス冷却器及び水蒸発器を複合一体化させることで、前記請求項2の発明の持つ作用効果に加えて、装置のコンパクト化をいっそう進めることができる。
【0042】
請求項6の発明は、請求項1、2、3、4または5記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、脱硫器が水素リッチガス流路の水素リッチガス冷却器と低温一酸化炭素変成器の中間に設置され、低温一酸化炭素変成器及び脱硫器が複合一体化されたことを特徴とする。
【0043】
以上の請求項6の発明では、低温一酸化炭素変成器及び脱硫器を複合一体化させることにより、装置体積の減少、並びに低温一酸化炭素変成器における放熱損失の抑制を実現することができる。
【0044】
請求項7の発明は、請求項1、2、3、4、5または6記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第1の合流点が形成され、燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第2の合流点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第1の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第2の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする。
【0045】
以上の構成を有する請求項7の発明においては、装置起動時に起動バーナーからの燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第1の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第2の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過する。このことにより、改質器に原料となるガスが供給される前に予め各機器を充分高温に昇温することができ、しかも起動時に生成した一酸化炭素の吸着による燃料極触媒被毒を防止することができる。と同時に、燃料電池冷却媒体を昇温する。
【0046】
また、改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層、すなわち燃料電池燃料極の上流に位置する機器については、水素リッチガスが流通する経路とは独立して起動バーナー燃焼ガスの流通経路を設置したので、燃料処理系の触媒層において高温・還元性雰囲気での使用が想定されていても、燃焼ガスの流通による酸化及び結露の心配がなく、活性低下が起こらず、起動前の還元操作も不要である。
【0047】
請求項8の発明は、請求項7記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、起動バーナーと第1の合流点の間に第1止め弁が設けられ、分岐点と燃料電池冷却媒体加熱器の間に第2止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第2の合流点の間に第3止め弁が設けられたことを特徴とする。
【0048】
このような請求項8の発明では、流路の切替えを止め弁の開閉で行うので、起動バーナーの燃焼ガス流路と排気バーナーの燃焼ガス流路を共通化でき、機器を簡素化することができる。
【0049】
請求項9の発明は、請求項8の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ水蒸発器温度、燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が開き、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかの温度が予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第1止め弁が開いて第2止め弁及び第3止め弁が閉じ、第2止め弁及び第3止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第1止め弁のみが閉じ、第2止め弁及び第3止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第1止め弁が閉じて運転状態に移行し、運転時には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が閉じ、停止時には第1止め弁が閉じて第2止め弁及び第3止め弁が開くことを特徴とする。
【0050】
請求項9の発明においては、以上のような運転方法を実施することにより、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温することができ、さらには過剰な昇温を防止することができる。
【0051】
請求項10の発明は、請求項8記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、第2止め弁と第3止め弁の間の流路のいずれかの箇所に第2の分岐点が形成され、第2の分岐点には外気に開放される配管が接続され、この配管に第4止め弁が設けられたことを特徴とする。
【0052】
請求項11の発明は、請求項10の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が開いて第4止め弁が閉じ、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第2止め弁及び第3止め弁が閉じて第1止め弁及び第4止め弁が開き、第2止め弁及び第3止め弁が開いて第4止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第1止め弁のみが閉じ、第2止め弁及び第3止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第1止め弁が閉じて第4止め弁が開いて運転状態に移行し、運転時には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が閉じて第4止め弁が開き、装置停止時には第2止め弁または第3止め弁の少なくとも一方と第4止め弁が開くことを特徴とする。
【0053】
上記請求項10及び11の発明によれば、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温でき、過剰昇温を防ぐと共に、第4止め弁の働きにより起動バーナー燃焼ガス流路の減圧を防止することができる。
【0054】
請求項12の発明は、請求項1、2、3、4、5または6記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする。
【0055】
上記請求項12の発明においては、装置起動時に起動バーナーからの燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過するまでは、前記請求項7の発明と同じであるが、それ以降熱交換に使用されることなく大気中に放出される点が異なっている。このような請求項12の発明によれば、各機器を充分高温に昇温することができると同時に、簡易な装置を構築することができる。
【0056】
請求項13の発明は、請求項12記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、起動バーナーと合流点の間に第1止め弁が、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第2止め弁が設けられたことを特徴とする。
【0057】
請求項14の発明は、請求項13の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第1止め弁及び第2止め弁が開き、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第1止め弁が開いて第2止め弁が閉じ、第2止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第1止め弁のみが閉じ、第2止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第1止め弁が閉じて運転状態に移行し、運転時には第1止め弁及び第2止め弁が閉じることを特徴とする。
【0058】
上記の請求項13及び14の発明では、請求項12記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温でき、過剰昇温を防ぎながら、装置の簡略化を図ることができる。
【0059】
請求項15の発明は、請求項1、2、3、4、5または6記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成されたことを特徴とする。
【0060】
以上の請求項15の発明では、高温が必要な改質器の昇温及び昇温に多くの熱量を必要とする燃料電池冷却媒体加熱器や水蒸発器の加熱にのみ起動バーナー燃焼ガスを利用している。つまり、起動バーナー燃焼ガスによる昇温を選択的に実施することにより燃焼ガス流路をシンプルにし、装置の簡易化を進めることができる。
【0061】
請求項16の発明は、請求項15記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、起動バーナーと合流点の間に止め弁が設けられたことを特徴とする。
【0062】
請求項17の発明は、請求項16の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時の水蒸発器温度が予め設定された目標温度に未達であれば止め弁が開き、止め弁が開いた状態で燃料電池冷却媒体加熱器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には、燃料電池冷却媒体冷却器が運転されて温度制御を行い、水蒸発器温度が予め設定された目標温度に達したら止め弁が閉じて運転状態に移行し、運転時には止め弁が閉じ、かつ装置起動時には脱硫器、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の温度がそれぞれ個別に電力によって加熱されることを特徴とする。
【0063】
上記の請求項16及び17の発明では、請求項15記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、各機器の昇温及び過剰昇温の防止、さらには装置の簡略化を実現することができる。
【0064】
請求項18の発明は、改質器に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器と、酸素を含むガスと燃料と水蒸発器で発生した水蒸気との混合ガスを過熱する燃料混合ガス過熱器とが設けられ、排気ガスバーナーからの燃焼ガスが、燃料混合ガス過熱器、水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように燃焼ガス流路が形成されたことを特徴とする。
【0065】
以上のような請求項18の発明では、燃料電池で消費されなかった可燃性物質を排気ガスバーナーで燃焼し、この燃焼ガスを燃料混合ガス過熱器、及び水蒸発器、水凝縮器と高温の機器から順に通過させることにより、排気ガスバーナーの燃焼熱を効率よく回収することができる。また、請求項18の発明においては、燃料を空気と混合するだけではなく、水蒸気と混合した状態で過熱するため、請求項1の発明に比べて改質器へ導入する反応ガス温度を高く設定することができる。さらには、酸素を含むガスの改質器への投入量を減らすことが可能である。
【0066】
請求項19の発明は、請求項18記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器の外筒部に水素リッチガス冷却器が設置され、改質器及び水素リッチガス冷却器が複合一体化されたことを特徴とする。
【0067】
以上のような請求項19の発明では、改質器及び水素リッチガス冷却器を複合一体化させることで発電装置の体積を減少させることができ、改質器と水素リッチガス冷却器との接続流路の極小化と、改質器表面から大気への放熱損失の抑制を図ることができる。
【0068】
請求項20の発明は、請求項18または19記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、排気ガスバーナーの外筒部に燃料混合ガス過熱器が設置され、排気ガスバーナー及び燃料混合ガス過熱器が複合一体化されたことを特徴とする。
【0069】
以上の請求項20の発明では、燃料混合ガス過熱器を排気ガスバーナーと複合一体化させることで発電装置体積の減少が可能である。また、排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器との間の接続流路を極小化できる。さらに、排気ガスバーナーを燃料混合ガス過熱器で囲むことにより、排気ガスバーナー表面から大気への放熱損失を抑えることができる。
【0070】
請求項21の発明は、請求項19または20記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器外筒部に水素リッチガス冷却器と共に水蒸発器が設置され、改質器と水素リッチガス冷却器と水蒸発器とが複合一体化されたことを特徴とする。
【0071】
上記の請求項21の発明では、改質器に水素リッチガス冷却器及び水蒸発器を複合一体化させることで、前記請求項19の発明の持つ作用効果をいっそう進めることができる。
【0072】
請求項22の発明は、請求項18、19、20または21記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、脱硫器が水素リッチガス流路の水素リッチガス冷却器と低温一酸化炭素変成器の中間に設置され、低温一酸化炭素変成器及び脱硫器が複合一体化されたことを特徴とする。
【0073】
以上の請求項22の発明では、低温一酸化炭素変成器及び脱硫器を複合一体化させることにより、装置体積の減少、並びに低温一酸化炭素変成器における放熱損失の抑制を実現することができる。
【0074】
請求項23の発明は、請求項18、19、20、21または22記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第1の合流点が形成され、燃料混合ガス過熱器の下流に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第2の合流点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第1の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、次いで燃料混合ガス過熱器を通過した後、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過し、第2の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器を通過するように構成され、かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする。
【0075】
以上の構成を有する請求項23の発明は、前述した請求項7の発明と同様の作用効果を有している。すなわち、装置起動時に起動バーナーからの燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第1の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第2の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過する。このことにより、改質器に原料となるガスが供給される前に予め各機器を充分高温に昇温することができ、しかも起動時に生成した一酸化炭素の吸着による燃料極触媒被毒を防止することができる。と同時に、燃料電池冷却媒体を昇温する。
【0076】
また、改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層、すなわち燃料電池燃料極の上流に位置する機器については、水素リッチガスが流通する経路とは独立して起動バーナー燃焼ガスの流通経路を設置したので、燃焼ガスの流通による酸化及び結露の心配がなく、活性低下が起こらず、かつ起動前に還元操作を行う必要もない。
【0077】
請求項24の発明は、請求項23記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器の改質触媒層と第1の合流点の間に第1止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第2止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第2の合流点の間に第3止め弁が設けられたことを特徴とする。
【0078】
このような請求項24の発明では、前記請求項8の発明と同じく、流路の切替えを止め弁の開閉で行うので、起動バーナーの燃焼ガス流路と排気バーナーの燃焼ガス流路を共通化でき、機器を簡素化することができる。
【0079】
請求項25の発明は、請求項24の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ水蒸発器温度、燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が開き、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかの温度が予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第1止め弁が開いて第2止め弁及び第3止め弁が閉じ、第2止め弁及び第3止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第1止め弁のみが閉じ、第2止め弁及び第3止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第1止め弁が閉じて運転状態に移行し、運転時には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が閉じ、停止時には第1止め弁が閉じて第2止め弁及び第3止め弁が開くことを特徴とする。
【0080】
請求項25の発明では、以上のような運転方法を実施することにより、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温することができ、さらには過剰な昇温を防止することができる。
【0081】
請求項26の発明は、請求項24記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、第2止め弁と第3止め弁の間の流路のいずれかの箇所に第2の分岐点が形成され、第2の分岐点には外気に開放される配管が接続され、この配管に第4止め弁が設けられたことを特徴とする。
【0082】
請求項27の発明は、請求項26の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が開いて第4止め弁が閉じ、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第2止め弁及び第3止め弁が閉じて第1止め弁及び第4止め弁が開き、第2止め弁及び第3止め弁が開いて第4止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第1止め弁のみが閉じ、第2止め弁及び第3止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第1止め弁が閉じて第4止め弁が開いて運転状態に移行し、運転時には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が閉じて第4止め弁が開き、装置停止時には第2止め弁または第3止め弁の少なくとも一方と第4止め弁が開くことを特徴とする。
【0083】
上記請求項26及び27の発明によれば、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温でき、過剰昇温を防ぐと共に、第4止め弁の働きにより起動バーナー燃焼ガス流路の減圧を防止することができる。
【0084】
請求項28の発明は、請求項18、19、20、21または22記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、燃料混合ガス過熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入した後、燃料混合ガス過熱器を通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする。
【0085】
上記請求項28の発明においては、装置起動時に起動バーナーからの燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過するまでは、前記請求項22の発明と同じであるが、それ以降熱交換に使用されることなく大気中に放出される点が異なっている。このような請求項28の発明によれば、各機器を充分高温に昇温することができると同時に、簡易な装置を構築することができる。
【0086】
請求項29の発明は、請求項28記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質触媒層と合流点の間に第1止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第2止め弁が設けられたことを特徴とする。
【0087】
請求項30の発明は、請求項29の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達しない場合には第1止め弁及び第2止め弁が開き、装置起動時でかつ脱硫器温度温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達した場合には第1止め弁が開いて第2止め弁が閉じ、運転時には第1止め弁及び第2止め弁が閉じることを特徴とする。
【0088】
上記の請求項29及び30の発明では、請求項28記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温でき、過剰昇温を防ぎながら、装置の簡略化を図ることができる。
【0089】
請求項31の発明は、請求項18、19、20、21または22記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、燃料混合ガス過熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成されたことを特徴とする。
【0090】
以上の請求項31の発明では、1つの合流点を形成するだけで、請求項22の発明と同様の作用効果を得ることができ、装置の簡易化をいっそう進めることができる。
【0091】
請求項32の発明は、請求項31記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器の改質触媒層と合流点の間に止め弁が設けられたことを特徴とする。
【0092】
請求項33の発明は、請求項32の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時の水蒸発器温度が予め設定された目標温度に未達であれば止め弁が開き、止め弁が開いた状態で燃料電池冷却媒体加熱器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には、燃料電池冷却媒体冷却器が運転されて温度制御を行い、水蒸発器温度が予め設定された目標温度に達したら止め弁が閉じて運転状態に移行し、運転時には止め弁が閉じ、かつ装置起動時には脱硫器、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の温度がそれぞれ個別に電力によって加熱されることを特徴とする。
【0093】
上記の請求項32及び33の発明では、請求項31記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、各機器の昇温及び過剰昇温の防止、さらには装置の簡略化を実現することができる。
【0094】
【発明の実施の形態】
(1)第1の実施の形態
[構成]
以下、本発明の実施の形態の一例について図面を参照して具体的に説明する。なお、図26に示した従来例の構成要素と同一の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。
【0095】
まず、請求項1にかかる第1の実施の形態を図1に示す。排気ガスバーナー4の下流側には水蒸気を過熱する水蒸気過熱器62が設けられ、その下流側には改質器2に供給する燃料を酸素を含むガスと混合した状態で加熱する燃料混合ガス予熱器63、改質器2に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器61が順次設けられている。これらの機器には排気ガスバーナー4からの燃焼ガスが、水蒸気過熱器62、燃料混合ガス予熱器63、水蒸発器61、水凝縮器5の順に通過するように燃焼ガス流路が形成されている。
【0096】
水蒸気は水蒸発器61で生成され、途中水蒸気過熱器62に入ってここで加熱され、その後、改質器2に送られる。燃料は酸素を含むガスと混合された後、燃料混合ガス予熱器63を通じて予熱され、改質器2に送られる。改質器2での部分酸化型水蒸気改質反応を可能な限り水蒸気改質側に近づけるため、改質器2入口における原料ガス濃度は高い方が良い。従って、水蒸気過熱器62及び燃料混合ガス予熱器63での出口温度は高い方が望ましい。
【0097】
燃料には炭素原子と水素原子を分子中に少なくとも各々一個以上含む気体が適用されている。具体的にはメタン、エタン、プロパン、ブタンなどの気体状炭化水素、及びこれらを主成分とする都市ガス、ガソリン、灯油、軽油などの液体状炭化水素の蒸気、及びメタノール、エタノール、ジメチルエーテル、イソプロパノール、アセトンなどの酸素を含む有機化合物が挙げられる。有機珪素化合物、有機金属化合物など、不揮発性物質が生成する物質は改質器2内部に生成物を沈着させるので燃料として相応しくない。またチオール類などの硫黄を含む化合物、ビニルクロライドをはじめとする有機塩素化合物などのハロゲンを含む化合物、アミン類、アミド類などの窒素を含む化合物は燃料電池1や後段の機器に被毒などの悪影響を与えるので相応しくない。酸素を含むガスとしては空気が挙げられるがこれに限らず、ほかに酸素ガス、燃料電池酸化剤極12排気ガス、排気ガスバーナー4からのガス及びこれらの間の混合物が適当である。
【0098】
燃料混合ガス予熱器63での燃料混合ガスの予熱は、発火しない条件で行われる。可燃性ガスの発火は温度、燃料と酸素を含むガスとの混合比、不活性成分の存在によって変化する。例えば燃料が純メタンで酸素を含むガスが空気である場合についてH.F.Cowardらによる"Limits of Inflammability"を参照すると、常温での燃料/空気混合気の発火範囲は5.3%から13.5%だが、600℃での燃料/空気混合気の発火範囲は3.3%から16.5%に広がる。上述した反応(2)の部分酸化反応のみを想定した、最も低い燃料/空気混合割合でも20.9%であるので、600℃程度では混合気は発火せず、局所的に酸素濃度が上昇して発火しても火炎は伝播しないことがわかる。しかしながら局所的に着火して周囲の温度が上昇すると発火条件を満たすおそれがあるので、上限を400℃程度に抑制することが望ましい。また、一般に分子量が大きくなるほど発火温度は低下する傾向にあるので、導入される燃料に応じて加熱温度上限を変更する必要がある。
【0099】
水蒸気の温度は高い方が良いが、高温水蒸気に耐える材料は高価であるため、水蒸気温度は650℃以下に抑制することが安価な装置を製作する上で望ましい。また、高温の水蒸気を燃料混合ガスに導入すると温度上昇により発火限界に入る可能性もある。温度一定下では水蒸気のような不活性ガスの導入は発火の濃度限界範囲を縮小させる役割を果たすが、加熱が伴う場合はこの限りではない。そのため、燃料の組成、加熱温度、導入蒸気量といった各種の要因を考慮しながら水蒸気過熱温度を決定する必要がある。以上に見られるように、望ましい燃料混合ガス予熱温度は望ましい水蒸気過熱温度よりも低く、同一の熱源として排気ガスバーナー4を用いる場合には燃料混合ガス予熱器63を水蒸気過熱器62の下流側に置くべきことが分かる。
【0100】
改質器2の投入された水蒸気、酸素を含むガス及び燃料は、改質器2にて部分酸化反応により水素リッチガスに変換される。改質反応を維持するため、改質触媒層21の温度は600℃以上であることが望ましい。部分酸化型水蒸気改質反応では通常改質触媒層21入口で酸化反応が優先して発生し、大きな発熱があることが一般的であるので、通常入口から出口にかけて温度が単調に減少する傾向が見られる。従って改質触媒層21の温度を600℃以上に保つために改質器2出口ガス温度を600℃以上に保つことが望ましい。
【0101】
一方、改質器2から出た水素リッチガスは水素リッチガス冷却器22及び脱硫器33を経て低温一酸化炭素変成器31に導入される。低温一酸化炭素変成器31の温度は、通常使用されるCu−ZnO系触媒について200℃程度であることが望ましい。このため、水素リッチガスの温度600℃以上から200℃程度にまでを低下させる必要があり、水素リッチガス冷却器22によって対応する。第1の実施の形態では制御の安定性の面から冷媒として燃料処理系冷却媒体径路133を流通する燃料処理系冷却媒体を使用する。
【0102】
水素リッチガス冷却器22にて昇温された燃料電池冷却媒体は、燃料電池1の発熱により昇温された燃料電池冷却媒体と合流し、燃料電池冷却媒体冷却器134にて所定の温度にまで冷却され、再び燃料電池1及び水素リッチガス冷却器22に供給される。燃料電池冷却媒体冷却器134は単なる冷却器に限らず、適当な媒体と組合せることで熱回収を行ってもよい。
【0103】
改質器2出口でCO濃度は数%であるが、低温一酸化炭素変成器31を通過する間に上記反応(3)のシフト反応により、CO濃度は出口で数千ppm程度にまで低下する。反応(3)は発熱反応であるため低温で平衡上有利であるが、反応速度は反対に低温ほど低下するので低温一酸化炭素変成触媒に固有の最適温度が存在する。かかる低温一酸化炭素変成触媒としては、日産ガードラー社製G−66Bを代表例とするCu−ZnO系触媒が一般的である。これの最適運転温度は200℃程度である。
【0104】
一般に低温一酸化炭素変成触媒は、上記Cu−ZnO系触媒に見られるように、Sで被毒するものが多い。そのため脱硫器33が低温一酸化炭素変成器31の上流に設置されている。図1では脱硫器33は水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の間に設置されているが、設置場所はここに限らず、低温一酸化炭素変成器31の上流のいかなる場所でもよい。但し、代表的な脱硫器33吸収材であるZnOは揮発性であるので、使用温度は450℃以下、更には300℃以下であることが望ましく、従って水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の間もしくは燃料混合ガス予熱器63の上流が望ましい。
【0105】
低温一酸化炭素変成器31を通過した水素リッチガスは、空気などの酸素を含むガスと共に選択酸化式一酸化炭素除去器32に導入され、ここで更に一酸化炭素濃度が数十ppmまでに低減される。前述したように、これは特に低温で顕著である燃料極11の電極触媒の一酸化炭素による被毒を低減するためである。
【0106】
この選択酸化式一酸化炭素除去器32は特定触媒上で一酸化炭素の酸化反応速度が水素の酸化反応速度より速いことを利用するものであり、高温では両者の差が狭まるため、200℃以下の低温で運転することが望ましい。つまり通常、選択酸化式一酸化炭素除去器32の運転温度は低温一酸化炭素変成器31のそれより低く設定される。
【0107】
選択酸化式一酸化炭素除去器32は1つの反応器からなっていてもよいし、2つ以上の複数の反応器からなっていてもよい。また、空気は均一に混合される必要があるため、特開平08−157201号公報に見られるように反応器前の配管に空気を吹き込んでもよいし、特開平08−133701号公報に見られるように反応器前に混合マニホールドを設置してそこに空気を吹き込んでもよい。
【0108】
燃料極11で水素リッチガスの水素の約8割が電気化学反応に使用された後、残余の水素及び未改質燃料などのその他可燃性物質を含む燃料極11排気ガスが排気ガスバーナー4に送られ、ここで酸化剤極12排気ガスの一部と混合されて燃焼される。
【0109】
燃焼により生成した高温ガスは水蒸気過熱器62に導入され、ここで原料水蒸気を過熱する。然る後に燃料混合ガス予熱器63に導入され、燃料と酸素を含んだガスの混合ガスを予熱する。その後、水蒸発器61に導入され、原料となる水の蒸発に使用される。上記機器の加熱に使用された排気ガスバーナー4の燃焼ガス及び排気ガスバーナー4に導入されなかった酸化剤極12の排気ガスは水凝縮器5を通過し、含有する水分の回収が行われる。
【0110】
[作用効果]
上記のような構成を有する第1の実施の形態に関して、下記の条件で温度及び効率を見積もった。
【0111】
▲1▼燃料:純メタン ▲2▼酸素を含むガス:空気 ▲3▼水蒸気/メタン:3.0
▲4▼メタン/空気:0.47 ▲5▼水、空気、メタンの温度:20℃
▲6▼水蒸気過熱温度:650℃ ▲7▼燃料混合ガス予熱温度:400℃
▲8▼燃料極水素利用率:80% ▲9▼放熱損失:なし
その結果、水素の生成効率はHHVで72%に達した。また、水蒸気混合後の燃料混合ガス温度は500℃であり、メタン/空気が47%でかつ不活性ガスとして水蒸気が49%導入されているため、発火限界外であった。改質器2の出口温度は640℃であり、反応温度は確保されていた。
【0112】
各機器の温度についてみると、水蒸気過熱器62での排気ガスバーナー4からの燃焼ガスの温度は入口側で820℃、出口側で680℃であり、これにより水蒸気が102℃から650℃まで昇温された。燃料混合ガス予熱器63での排気ガスバーナー4からの燃焼ガス温度は入口側で680℃、出口側で530℃であり、これにより燃料混合ガスが20℃から400℃まで昇温された。
【0113】
次に水蒸発器61については、排気ガスバーナー4の燃焼ガス温度は入口側で530℃、出口側で190℃であり、これにより20℃の水が102℃の水蒸気に転換された。各機器については所定温度への昇温が可能であり、かつピンチ温度も確保されていた。
【0114】
以上述べたように、第1の実施の形態によれば、燃料極11排気ガス中に含まれる可燃性ガスを排気ガスバーナー4で燃焼させ、この燃焼ガスを水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、水凝縮器と高温の機器から順に通過させることにより、改質器2での反応を確保しながら、排気ガスバーナーの燃焼熱を効率的かつ安全に回収できる。第1の実施の形態においては高温が必要とされる機器から順に加熱していくことにより、高温が必要な機器の加熱源温度が不足する事態を防ぐことができる。
【0115】
また、第1の実施の形態では水蒸発器61と水蒸気過熱器62とを分離しているので流量制御が容易であり、簡略化を進めることができる。しかも、水蒸発器61にて多くの熱量が奪われる前段で燃料混合ガス予熱器63の加熱を実施するため、排気ガスバーナー4の燃焼ガスから高効率で熱回収を実施できる。
【0116】
(2)第2の実施の形態
[構成]
次に請求項2にかかる第2の実施の形態について図2を参照して説明する。なお、以下の実施の形態において使用されるガス及びガス流通の順序、各機器における望ましい温度などは第1の実施の形態と同一である。
【0117】
第2の実施の形態では、改質器2の外筒部に水素リッチガス冷却器22が設置され複合一体化された点に特徴がある。
【0118】
[作用効果]
第2の実施の形態によれば、改質器2と水素リッチガス冷却器22の間の配管を省いて発電装置の体積を減少させ、装置のコンパクト化を図ることができる。また高温で運転される改質器2の外筒部を、より低温で運転される水素リッチガス冷却器22にて包囲するので、改質器2表面から大気への放熱損失を減少させることができる。燃料電池発電装置が小型化するに従って放熱損失を抑えることの重要さは増すため、このような構成は有効である。
【0119】
(3)第3の実施の形態
[構成]
第3の実施の形態の構成を図3に示す。第3の実施の形態は請求項3に対応し、その特徴は、排気ガスバーナー4の外筒部に水蒸気過熱器62が設置されて複合一体化された点にある。
【0120】
[作用効果]
上記第2の実施の形態では改質器2での放熱損失低減に成功したが、排気ガスバーナー4の出口ガスは800℃前後という高温であり、かつ熱回収の必要があるため、この部分の放熱損失を低減することが求められている。この要求に応えるべく、第3の実施の形態では、高温で運転される排気ガスバーナー4を、より低温で運転される水蒸気過熱器62で囲み、排気ガスバーナー4表面から大気への放熱損失を抑えている。また、水蒸気過熱器62を排気ガスバーナー4と複合一体化させることで両者間の接続流路が極小化するため、発電装置全体の体積も減り、装置のコンパクト化を進めることができる。
【0121】
(4)第4の実施の形態
[構成]
図4は請求項4にかかる第4の実施の形態を示している。第4の実施の形態は上記第3の実施の形態に改良を加えたもので、排気ガスバーナー4と複合一体化された水蒸気過熱器62の外筒部に混合ガス予熱器63が設置され、排気ガスバーナー4と水蒸気過熱器62と混合ガス予熱器63という3つの機器が複合一体化されたことに特徴がある。
【0122】
[作用効果]
前記第1の実施の形態での見積で明らかなように、水蒸気過熱器62加熱後の排気ガスバーナー4の燃焼ガスの温度は未だ680℃以上の高温であり、排気ガスバーナー4の放熱損失は無視できない。熱回収効率を高めるためは、排気ガスバーナー4及びその下流の機器の一体化を更に進めることが有効である。
【0123】
第4の実施の形態では、排気ガスバーナー4、水蒸気過熱器62及び混合ガス予熱器63を複合一体化したことにより、機器間の接続流路を極小化でき、排気ガスバーナー4から大気への放熱損失を大幅に抑えて、熱回収効率を高めることができる。
【0124】
(5)第5の実施の形態
[構成]
請求項5にかかる第5の実施の形態について図5を用いて説明する。第5の実施の形態では、改質器2の外筒部下部に水素リッチガス冷却器22が設置されると共に、改質器2の外筒部上部に水蒸発器61が設置され、改質器2と水素リッチガス冷却器22と水蒸発器61という3つの機器が複合一体化されたことを特徴としている。なお、図5では水蒸発器61を改質器2外筒部に直接設置しているが、これを水素リッチガス冷却器22外側に設置してもよい。
【0125】
[作用効果]
このような第5の実施の形態では、改質器2に水素リッチガス冷却器22及び水蒸発器61を複合一体化させることで、装置のコンパクト化をより高めることが可能である。
【0126】
(6)第6の実施の形態
[構成]
第6の実施の形態は請求項6にかかり、図6に示すように、脱硫器33が水素リッチガス流路の水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の中間に設置された点に構成上の特徴がある。なお、図6では脱硫器33が低温一酸化炭素変成器31の前段に置かれた形になっているが、脱硫器33の外筒部に低温一酸化炭素変成器31を設置する、もしくは低温一酸化炭素変成器31の外筒に脱硫器33を設置するなどして両者を複合一体化させ放熱損失の低減を図ってもよいし、他の方法をとってもよい。
【0127】
[作用効果]
脱硫器33の運転温度は脱硫反応を促進するために高温が望ましいが、ZnOなどからなる脱硫器33吸収材の昇華損失を抑制する上でその上限を300℃程度に抑制する必要がある。一方、低温一酸化炭素変成器31の運転温度は200℃程度であるが、低温では反応速度が低下するため、放熱損失により低温一酸化炭素変成器31温度が低温側に傾くことは望ましくない。低温一酸化炭素変成器31でおこるシフト反応は発熱反応であるが、低負荷で反応ガス流量が少ない場合には放熱が発熱に勝り運転温度が維持できないおそれがある。
【0128】
第6の実施の形態においては、脱硫器33と低温一酸化炭素変成器31とを複合一体化することにより、放熱損失を低減させて一酸化炭素変成器31の運転温度を維持することができる。また、機器の複合一体化により装置体積の減少を図ることができる。
【0129】
(7)第7の実施の形態
[構成]
第7の実施の形態は請求項7に対応しており、図7は第7の実施の形態の構成図である。なお、図7では改質器2、水素リッチガス冷却器22、低温一酸化炭素変成器31、脱硫器33、排気ガスバーナー4、水蒸発器61、水蒸気過熱器62、燃料混合ガス予熱器63の関係は請求項1に基づいて各々独立に記述したが、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5もしくは請求項6の発明に基づいて複合一体化させてもよい。
【0130】
第7の実施の形態の特徴は次の点にある。すなわち、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナー70と、燃料電池1の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器135とが設けられている。起動バーナー70は改質器2とは独立に設置してもよいし、改質器2と複合一体化するような構造であってもよい。
【0131】
起動バーナー70では、すすなどが生成しないよう燃焼ガスが確実に完全燃焼する必要がある。そのため燃料に対して酸素過多で発生させなくてはならない。また、改質触媒層21は還元性雰囲気が望ましい。したがって、起動バーナー70燃焼ガスは改質触媒層21及びその雰囲気から隔絶され、リークなどによる相互の流通が存在しないように製作されている。
【0132】
起動バーナー70の燃焼ガス温度は改質器2が運転可能となる温度以上である必要があり、ニッケル系改質触媒を使用する場合には400℃以上であることが望ましい。但し、下流の機器に高温に弱いものがあるので過剰な高温化は回避し、400〜500℃程度であることが望ましい。これを達成するための起動バーナー70としては、燃料が11,000kcal/m3(HHV)の都市ガスの場合に少なくとも燃料体積の60倍程度の空気を導入し、かつこの混合比で安定に燃焼させるような触媒燃焼器が好適である。
【0133】
また、排気ガスバーナー4と水蒸気過熱器62の間には起動バーナー70からの燃焼ガスが排気ガスバーナー4からの燃焼ガス流路に合流する第1の合流点73が形成されている。さらに、燃料混合ガス予熱器63と水蒸発器61の間には燃焼ガスが分れる分岐点71が形成され、この分岐点71の下流には再度燃焼ガス流路に燃焼ガスが合流する第2の合流点74が形成されている。
【0134】
装置起動時には起動バーナー70が動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器2の改質触媒層21を通過した後(図中の*)、第1の合流点73にて排気ガスバーナー4からの燃焼ガス流路に入る。このガス流路には元来、排気ガスバーナー4からの燃焼ガスが流れているため、雰囲気還元性である必要はなく、起動バーナー70の燃焼ガスラインと共通化している。
【0135】
さらに、起動バーナー70からの燃焼ガスは、水蒸気過熱器62、燃料混合ガス予熱器63の順に通過する。そして、燃料混合ガス予熱器63を通過した起動バーナー70の燃焼ガスは、分岐点71にて直接水蒸発器61に通じる通常の流路から一部が分岐し(図中の**)、燃料電池冷却媒体加熱器135、脱硫器33の吸収材層、低温一酸化炭素変成器31の触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層を貫流する。改質触媒層21と同じくこれらは還元性雰囲気が望ましいため、起動バーナー70燃焼ガスは脱硫器33吸収材、低温一酸化炭素変成器31の触媒、選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒及びその雰囲気から隔絶され、リークなどによる相互の流通が存在しないよう製作されている。その後、選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層を貫流した起動バーナー70燃焼ガスは、第2の合流点74で再び残余の起動バーナー70からの燃焼ガスに合流し、水蒸発器61、水凝縮器5の順に通過する。
【0136】
なお、選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層は、反応器が複数から成る場合には2つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器135は図7では燃料処理系冷却媒体循環径路133の水素リッチガス冷却器22上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料電池冷却媒体加熱器134の下流かつ燃料電池1の上流の部分を除けば、燃料処理系冷却媒体循環径路133を含む燃料電池冷却媒体径路131のいずれの位置でもよい。燃料電池冷却媒体加熱器135の設置位置として燃料電池冷却媒体加熱器134の下流及び燃料電池1の上流の部分を除くのは、この部分で測定した燃料電池冷却媒体温度で燃料電池冷却媒体冷却器134での熱交換量を制御することが多いため、この位置に燃料電池加熱器135を設置すると擾乱要因となるからである。また、図7では脱硫器33を水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の中間に設置しているが、ここに限定されず例えば改質器2導入前の燃料流路に設置してもよい。
【0137】
[作用効果]
以上のような構成を有する第7の実施の形態の作用効果は次の通りである。すなわち、装置起動時に発生した燃焼ガス起動バーナー70の燃焼ガスは、水蒸気過熱器62、燃料混合ガス予熱器63の順に通過してこれらの機器を暖める。起動バーナー70の燃焼ガス温度が高々500℃程度であるので、これら機器の昇温限度は400℃程度と考えられ、水蒸気過熱器62及び燃料混合ガス予熱器63の望ましい運転温度には未達である。しかしながら、これらの機器は熱回収のために存在し、起動時には効率は度外視するので、運転温度程度にまで昇温する必要はない。つまり、反応ガスを流通させた際に凝縮が発生しない程度に暖管すればよいので、この条件で機能を充分に果たすことができる。
【0138】
燃料混合ガス予熱器63を通過した起動バーナー70燃焼ガスの温度は300〜400℃程度である。これをこのまま脱硫器33吸収材、低温一酸化炭素変成器31触媒層などの加熱に使用すると、これらは昇華性のZnOを含む場合が多いため、損傷する可能性がある。そこで、分岐点71にて分かれた起動バーナー70燃焼ガスは脱硫器33吸収材を通過させる前に燃料電池冷却媒体加熱器135にて燃料電池冷却媒体と熱交換し、250℃程度にまで温度を低下させる。と同時に、燃料電池冷却媒体の昇温に使用する。これ以降の加熱目標温度は脱硫器33が200〜250℃、低温一酸化炭素変成器31が200℃程度、選択酸化式一酸化炭素除去器32が200℃以下であるので、この順に起動バーナー70の燃焼ガスを通過させれば、各機器をほぼ同時に目標温度を達成することが可能である。燃料電池冷却媒体の加熱目標温度は高々85℃程度で低いが、脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32に比較して熱容量が大きいため、過度に昇温することはない。
【0139】
一方、水蒸発器61では発電開始までに多量の水を沸点まで加熱しかつ水蒸気を発生させなければならないので、起動に大量の熱量が必要である。必要な温度は100℃強で、脱硫器33などの目標温度に比較して低いが、熱容量が大きいのでこれら機器の下流に配置すると昇温が遅れるおそれがある。そのため、第7の実施の形態では起動バーナー70燃焼ガスが分岐点71で分かれ、一方は燃料電池冷却媒体加熱器135以下の加熱を行い、他方は熱量を維持して水蒸発器61の加熱に使用することができる。これにより水蒸発器61の昇温を他の機器と同調して確実に行うことが可能となった。
【0140】
また、第7の実施の形態では、改質触媒層21、脱硫器33吸収材層、低温一酸化炭素変成器31触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去器32触媒層といった燃料電池1燃料極11の上流に位置する機器については、水素リッチガスが流通する経路とは独立して起動バーナー70燃焼ガスの流通経路を設置している。そのため、燃料処理系の触媒層において高温・還元性雰囲気での使用が想定されていても、燃焼ガスの流通により酸化及び結露が生じて活性低下が起きるおそれがなく、起動前の昇温に加えて還元操作を行う必要がない。
【0141】
(8)第8の実施の形態
[構成]
請求項8及び9にかかる第8の実施の形態について図8を参照して説明する。第8の実施の形態は前記第7の実施の形態(請求項7の発明に対応)において、起動バーナー70燃焼ガスと排気ガスバーナー4燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けた点に特徴があり、切替えを請求項9の発明にかかる運転方法で実施している。
【0142】
すなわち、起動バーナー70と第1の合流点73の間に第1止め弁75が設けられ、分岐点71と燃料電池冷却媒体加熱器135の間に第2止め弁76が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層と第2の合流点74の間に第3止め弁77が設けられている。これら3つの止め弁75、76及び77を請求項11の発明にかかる運転方法により開閉し、燃焼ガスの流路切替えを行うようになっている。
【0143】
[止め弁の開閉]
装置起動時には起動バーナー70が点火されると共に、3つすべての止め弁75、76、77が開き、起動バーナー70燃焼ガスが流通する。分岐点71と第2の合流点74の間には止め弁は無く、燃料混合ガス予熱器63出口側の高温ガスの一部は直接、水蒸発器61を加熱する。なお、分岐点71で分岐するガス流量を最適に配分するため、分岐点71と第2の合流点74の間にはオリフィスなどの圧損要素を設置してもよい。
【0144】
燃料電池冷却媒体加熱器135、脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32のすべての昇温が完了したら、第2止め弁76及び第3止め弁77を閉じる。但し、何らかの原因でいずれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合には他の機器の昇温が完了していなくとも、第2止め弁76及び第3止め弁77を閉じる。
【0145】
第2止め弁76と第3止め弁77の間に設置してある機器には温度の上限があるものが多い。例えば、燃料電池冷却媒体加熱器135の温度が沸点に近づくことは燃料電池冷却媒体全体がこの温度まで昇温することを意味するので、固体高分子電解質膜を初めとする燃料電池1の構成部材に損傷を与える可能性がある。また、脱硫器33と低温一酸化炭素変成器31は前述したように昇華性のZnOを含む場合があり、選択酸化式一酸化炭素除去器32では高温で反応の選択性が悪化する傾向が見られている。そのため、これら機器に最高限界温度を設定し、いづれかが限界に達したら第2止め弁76及び第3止め弁77を閉じて、機器の昇温を中断する。
【0146】
一方、水蒸発器61は第2の合流点74で合流した起動バーナー70燃焼ガスで昇温される。この温度が目標温度に達しない間は第1止め弁75が開いて起動バーナー70燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第2止め弁76及び第3止め弁77が閉じていたら、起動のための加熱を終了して第1止め弁75が閉り、起動バーナー70が停止して発電運転に移行する。
【0147】
運転中はこれらすべての弁75、76、77が閉じて通常運転時の熱バランスを擾乱させない。停止時には第2止め弁76及び第3止め弁77が開いて起動バーナー燃焼ガス流路が水凝縮などで減圧し、リークなどの不適合の原因となることを防ぐことができる。
【0148】
但し、燃料電池冷却媒体加熱器135から選択酸化式一酸化炭素除去器32の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器61の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器61温度が予め設定された最高限界温度に達した場合は第2止め弁76及び第3止め弁77を開けたままで第1止め弁75を閉め、起動バーナー70を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱する。水蒸発器61の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい。
【0149】
[作用効果]
第8の実施の形態では、上記の機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぐことが可能となった。また、止め弁の開閉により燃焼ガス流路の切替えることができるので、起動バーナー70の燃焼ガス流路と排気ガスバーナー4の燃焼ガス流路を共通化でき、装置の簡素化を図ることができる。
【0150】
(9)第9の実施の形態
[構成]
請求項10、11にかかる第9の実施の形態について図9を用いて説明する。第9の実施の形態と前記第8の実施の形態との相違点は、第9の実施の形態では第2止め弁76と第3止め弁77の間に第2の分岐点72があり、ここから大気に開放するベント配管が設置されていて、これに第4止め弁78が設置されていることである。これは第2止め弁76と第3止め弁77が閉じた時にこの間を封じ切りにしないためのものである。これら4つの止め弁75、76、77及び78を請求項11の発明にかかる運転方法により開閉し、前記第8の実施の形態と同じく、起動バーナー70燃焼ガスと排気ガスバーナー4燃焼ガスの流路切替えるになっている。なお、前記分岐点71をここでは第1の分岐点71とする。
【0151】
[止め弁の開閉]
装置起動時には起動バーナー70が点火されると共に、第4止め弁78以外の3つの止め弁75、76及び77が開き、起動バーナー70燃焼ガスが流通する。第1の分岐点71と第2の合流点74の間には止め弁が無い点、分岐点71と第2の合流点74の間にはオリフィスなどの圧損要素を設置してもよい点などは第8の実施の形態と同様である。
【0152】
燃料電池冷却媒体加熱器135、脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32すべての昇温が完了したら、第2止め弁76及び第3止め弁77を閉じ、第1止め弁75及び第4止め弁78を開く。但し、何らかの原因でいずれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合は他の機器の昇温が完了していなくとも第2止め弁76及び第3止め弁77を閉じ、第4止め弁78を開く。これは第8の実施の形態にて説明したように、機器の安全性を確保するためである。
【0153】
一方、水蒸発器61の温度が目標温度に達しない間は第1止め弁75が開いて起動バーナー70燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第2止め弁76及び第3止め弁77が閉じかつ第4止め弁78が開いていたら、起動のための加熱を終了して第1止め弁75が閉り、起動バーナー70が停止して発電運転に移行する。
【0154】
運転中はこれらすべての止め弁75、76、77及び78が閉じて通常運転時の熱バランスの擾乱を防ぐようになっている。停止時には第2止め弁76か第3止め弁77のどちらかと第4止め弁78が開いて起動バーナー70燃焼ガス流路の減圧を防ぐことができる。
【0155】
但し、燃料電池冷却媒体加熱器135から選択酸化式一酸化炭素除去器32の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器61の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器61温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第2止め弁76及び第3止め弁77を開け、かつ第4止め弁78を閉めた状態で第1止め弁75を閉める。これにより、起動バーナー70を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱するものとする。なお、水蒸発器61の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい点は第8の実施の形態と同然である。
【0156】
[作用効果]
以上の第9の実施の形態では、上記の機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぐことができる。また、燃焼ガス流路が切替可能であるため起動バーナー70の燃焼ガス流路と排気ガスバーナー4の燃焼ガス流路を共通化でき、装置を簡素化できる。さらには、第4止め弁78の働きにより起動バーナー70燃焼ガス流路の減圧を防止することができる。
【0157】
(10)第10の実施の形態
[構成]
請求項12にかかる第10の実施の形態について、図10を参照して説明する。第10の実施の形態は第7の実施の形態(請求項7の発明に対応)の変形である。選択酸化式一酸化炭素変成器32は比較的低温で運転され、Au系やRu系触媒を使用した場合には運転温度が水の沸点以下である場合も有る。このような場合、選択酸化式一酸化炭素変成器32出口での起動バーナー70燃焼ガスの温度は水蒸発器61の加熱に利用可能な水準には無い。従って第2の合流点74を設けてまでしてこれを水蒸気器61に導入する必要はなく、大気開放することが望ましい。
【0158】
第10の実施の形態は起動バーナー70燃焼ガス流路が分岐点71で分岐され、燃料電池冷却媒体加熱器135、脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32を加熱した起動バーナー70燃焼ガスが以降熱交換に使用されること無く大気中に放出されることを特徴とする。
【0159】
選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層は、反応器が複数から成る場合には2つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器135は図10では燃料処理系冷却媒体循環径路133の水素リッチガス冷却器22上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料処理系冷却媒体循環径路133を含む燃料電池冷却媒体径路131のいずれの位置でもよい。但し、燃料電池冷却媒体加熱器134の下流かつ燃料電池1の上流の部分は、ここで測定した燃料電池冷却媒体温度で燃料電池冷却媒体冷却器134での熱交換量を制御することが多く、擾乱要因となるため、この位置に燃料電池加熱器135を設置するこは避ける。また、図10では脱硫器33は水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の中間に設置されているが、ここに限定されず例えば改質器2導入前の燃料流路に設置してもよい。
【0160】
[作用効果]
以上のような第10の実施の形態によれば、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつより簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することが可能となった。
【0161】
なお、第7の実施の形態(請求項7の発明に対応)と第10の実施の形態(請求項12の発明に対応)の長短は、選択酸化式一酸化炭素変成器32の目標運転温度、特にこれが複数段に分割されている場合には最終段の目標運転温度に依存する。すなわち、目標運転温度が高ければ前者の方が有利であり、水の沸点前後の低温であれば後者の方がより効果的である。
【0162】
(11)第11の実施の形態
[構成]
図11に示す第11の実施の形態は、請求項13及び14に対応するものであり、第10の実施の形態(請求項12の発明に対応)において、起動バーナー70燃焼ガスと排気ガスバーナー4燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けた点に特徴がある。すなわち、起動バーナー70と第1の合流点73の間に第1止め弁75が設けられ、分岐点71と脱硫器33の吸収材層の間に第2止め弁76が設けられている。これら止め弁75、76の開閉を請求項14の発明にかかる運転方法で実施している。
【0163】
[止め弁の開閉]
装置起動時には起動バーナー70が点火されると共に、2つの止め弁75、76が開き、起動バーナー70燃焼ガスが流通する。流量配分最適化のための圧損要素は水蒸発器61の上流に設置する必要が無く、かつ圧損要素として水蒸発器61及び水凝縮器5をカウントすることができるので、第2の合流点74を有する場合より設置する圧損要素を低減し、排気ガスライン全体の圧損を低下させることが可能である。
【0164】
燃料電池冷却媒体加熱器135、脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32すべての昇温が完了したら、第2止め弁76を閉じる。但し、何らかの原因でいづれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合は他の機器の昇温が完了していなくとも第2止め弁76を閉じ、安全性を確保する。
【0165】
一方、水蒸発器61は温度が目標温度に達しない間は第1止め弁75が開いて起動バーナー70燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第2止め弁76が閉じていたら起動のための加熱を終了して第1止め弁75が閉り、起動バーナー70が停止して発電運転に移行する。
【0166】
運転中は止め弁75及び76が両方とも閉じて通常運転時の熱バランスの擾乱を防止する。停止時には第2止め弁76が開いても閉じていても起動バーナー70燃焼ガス流路は大気に開放されるので、減圧のおそれはない。但し、燃料電池冷却媒体加熱器135から選択酸化式一酸化炭素除去器32の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器61の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器61温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第2止め弁76を開けたままで第1止め弁75を閉め、起動バーナー70を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱する。なお、水蒸発器61の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい。
【0167】
[作用効果]
第11の実施の形態では、上記のような機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぎながら、より簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することが可能となった。
【0168】
(12)第12の実施の形態
[構成]
第12の実施の形態は請求項15に対応しており、図12は第12の実施の形態の構成図を示している。これまで第7の実施の形態から第11の実施の形態にかけては、起動バーナー70燃焼ガスを脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32の昇温に使用する場合を例示した。しかしながら、装置及び各反応器が小規模である場合、各反応器に特段の起動用加熱配管を設けることは困難であり、かつ運転中にこれを通じての放熱損失も無視できない。
【0169】
そこで、請求項15の発明にかかる第12の実施の形態では、起動バーナー70燃焼ガスが改質器2の改質触媒層21を通過した後、合流点73にて排気ガスバーナー4からの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器62、燃料混合ガス予熱器63、水蒸発器61、燃料電池冷却媒体加熱器135、水凝縮器5の順に通過するように構成されたことを特徴とする。
【0170】
起動バーナー70で発生した起動バーナー70燃焼ガスは改質触媒層21を貫流して加熱した後、水蒸気過熱器62と燃料混合ガス予熱器63を加熱し、水蒸発器61を加熱する。ここでガス温度が比較的低位になってから、燃料電池冷却媒体加熱器135を加熱する。燃料電池冷却媒体は通常水の沸点以下高々85℃程度なので、水蒸発器61加熱後のガスでも加熱可能である。燃料電池冷却媒体加熱器135を出た起動バーナー70燃焼ガスは水凝縮器5を経て大気に放出される。なお、目標昇温温度が比較的低くかつ加熱に必要な熱量が比較的少ない脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32の昇温は電力で行うようになっている。
【0171】
選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層は、反応器が複数から成る場合には2つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器135は図12では燃料処理系冷却媒体循環径路133の水素リッチガス冷却器22上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料電池冷却媒体加熱器134の下流かつ燃料電池1の上流の部分を除く、燃料処理系冷却媒体循環径路133を含む燃料電池冷却媒体径路131のいずれの位置でもよい。燃料電池冷却媒体加熱器134の下流かつ燃料電池1の上流部分は通常、燃料電池冷却媒体温度の測定箇所であり、測定結果に基づいて燃料電池冷却媒体冷却器134での熱交換量を制御する。したがって、前記の位置を燃料電池加熱器135の設置位置に選ぶと擾乱要因となり易い。そのためこの部分は外す。また、図12では脱硫器33は水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の中間に設置されているが、ここに限定されず例えば改質器2導入前の燃料流路に設置してもよい。
【0172】
[作用効果]
以上の第12の実施の形態では、高温が必要な改質器22の昇温及び昇温に多くの熱量を必要とする燃料電池冷却媒体加熱器135及び水蒸発器61の加熱にのみ起動バーナー70燃焼ガスを使用している。すなわち、機器を選んで燃焼ガスを供給することにより燃焼ガス流路をシンプルに構成することができ、装置の簡略化を進めることができる。
【0173】
なお、請求項7もしくは請求項12の発明と請求項15の発明のどちらを採用するかは、装置の規模に依存する。装置規模が大きければ請求項7もしくは請求項12の発明が有利であり、装置規模が小さければ請求項15の発明の方がより効果的である。
【0174】
(13)第13の実施の形態
[構成]
請求項16及び17に対応する第13の実施の形態について、図13を用いて説明する。第13の実施の形態は第12の実施の形態(請求項15の発明に対応)において、起動バーナー70燃焼ガスと排気ガスバーナー4燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けている。すなわち、起動バーナー70と第1の合流点73の間に第1止め弁75が設けられ、請求項17の発明にかかる運転方法により第1止め弁75を開閉してガス流路の切替えを行っている。
【0175】
[止め弁の開閉]
装置起動時には起動バーナー70が点火されると共に、第1止め弁75が開き、起動バーナー70燃焼ガスが流通する。流量配分最適化の必要が無いのでそのための圧損要素は不要である。水蒸発器61は温度が目標温度に達しない間は止め弁75が開いて起動バーナー70燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達したら起動のための加熱を終了して第1止め弁75が閉り、起動バーナー70が停止して発電運転に移行する。
【0176】
運転中は第1止め弁75が閉じて通常運転時の熱バランスを擾乱させない。停止時には第1止め弁75が開いても閉じていてもその両側とも大気に開放されるので減圧のおそれはない。但し、水蒸発器61の昇温が未了であるのに燃料電池冷却媒体加熱器135の昇温が最高限界温度に達した場合は、燃料電池1の冷却水温度調節を目的に設置された燃料電池冷却媒体冷却器134により熱を放出する。これにより水蒸発器61の昇温を継続しながら燃料電池冷却媒体の過度の昇温を防ぐ。
【0177】
[作用効果]
第13の実施の形態では、上記のような機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぎながら、より簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することができる。
【0178】
(14)第14の実施の形態
[構成]
請求項18にかかる第14の実施の形態を図14に示す。第14の実施の形態は請求項1の発明にかかる第1の実施の形態の変形であり、水蒸気過熱器61と燃料混合ガス予熱器62を統合して燃料混合ガス過熱器64が設けられている点に特徴がある。燃料混合ガス過熱器64は、酸素を含むガスと燃料と水蒸発器61で発生した水蒸気との混合ガスを過熱する機器である。排気ガスバーナー4の燃焼ガスは燃料混合ガス過熱器64、水蒸発器61、水凝縮器5の順に通過するようになっている。以上の点以外では第1の実施の形態の構成と同様である。
【0179】
[作用効果]
上記のような構成を有する第14の実施の形態に関して、下記の条件で温度及び効率を見積もった。
【0180】
▲1▼燃料:純メタン ▲2▼酸素を含むガス:空気 ▲3▼水蒸気/メタン:3.0
▲4▼メタン/空気:0.50 ▲5▼水、空気、メタンの温度:20℃
▲6▼燃料混合ガス過熱温度:450℃ ▲7▼燃料極水素利用率:80%
▲8▼放熱損失:なし
その結果、水素の生成効率はHHVで70%強で、第1の実施の形態での見積と大きな相違はなかった。また、第14の実施の形態では、燃料を空気と混合するだけでなく、水蒸気と混合した状態で燃料混合ガス過熱器64にて過熱するため、請求項1の発明に比較して改質器2へ導入する反応ガスの温度を高く設定でき、酸素を含むガスの改質器2への投入量を減らすことができる。但し、燃料及び空気と水蒸気が混合された時に凝縮が発生しない程度に水蒸気温度を上昇させなければならず、水蒸発器61から排出される排気ガスバーナー4燃焼ガスの熱量は増大するため、効率の優劣は場合により相違する。
【0181】
(15)第15の実施の形態
[構成]
次に請求項19にかかる第15の実施の形態について図15を参照して説明する。第15の実施の形態では、改質器2の外筒部に水素リッチガス冷却器22が設置され複合一体化された点に特徴がある。
【0182】
[作用効果]
第19の実施の形態によれば、改質器2と水素リッチガス冷却器22の間の配管を省いて発電装置の体積を減少させ、装置のコンパクト化を図ることができる。また高温で運転される改質器2の外筒部を、より低温で運転される水素リッチガス冷却器22にて包囲するので、改質器2表面から大気への放熱損失を減少させることができる。
【0183】
(16)第16の実施の形態
[構成]
第16の実施の形態の構成を図16に示す。第16の実施の形態は請求項20に対応し、その特徴は、排気ガスバーナー4の外筒部に燃料混合ガス過熱器64が設置されて複合一体化された点にある。
【0184】
[作用効果]
第16の実施の形態では、高温で運転される排気ガスバーナー4を燃料混合ガス過熱器64で囲むことにより、排気ガスバーナー4表面から大気への放熱損失を抑えている。また、燃料混合ガス過熱器64と排気ガスバーナー4とを複合一体化させることで両者間の接続流路が極小化し、装置をコンパクト化することができる。
【0185】
(17)第17の実施の形態
[構成]
請求項21にかかる第17の実施の形態について図17を用いて説明する。第21の実施の形態では、前記第5の実施の形態と同様、改質器2の外筒部下部に水素リッチガス冷却器22が設置されると共に、改質器2の外筒部上部に水蒸発器61が設置され、改質器2と水素リッチガス冷却器22と水蒸発器61という3つの機器が複合一体化されている。なお、図17では水蒸発器61を改質器2外筒部に直接設置しているが、これを水素リッチガス冷却器22外側に設置してもよい。
【0186】
[作用効果]
このような第17の実施の形態では、改質器2に水素リッチガス冷却器22及び水蒸発器61を複合一体化させることで、装置のコンパクト化をより高めることが可能とである。
【0187】
(18)第18の実施の形態
[構成]
図18に示す第18の実施の形態は請求項22にかかり、前記第6の実施の形態と同様に、脱硫器33の位置を水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の間に限定された点に特徴がある。なお、図18では脱硫器33が低温一酸化炭素変成器31の前段に置かれた形になっているが、脱硫器33の外筒部に低温一酸化炭素変成器31を設置する、もしくは低温一酸化炭素変成器31の外筒に脱硫器33を設置するなどして両者を複合一体化させ放熱損失の低減を図ってもよいし、他の方法をとってもよい。
【0188】
[作用効果]
第18の実施の形態においては、脱硫器33と低温一酸化炭素変成器31とを複合一体化することにより、放熱損失を低減させて一酸化炭素変成器31の運転温度を維持することができる。また、機器の複合一体化により装置体積の減少を図ることができる。
【0189】
(19)第19の実施の形態
[構成]
第19の実施の形態は請求項23に対応しており、図19は第19の実施の形態の構成図である。第19の実施の形態には、前記第7の実施の形態と同じく起動バーナー70と、燃料電池1の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器135とが設けられている。起動バーナー70は改質器2とは独立に設置してもよいし、改質器2と複合一体化するような構造であってもよい。また、改質器2、水素リッチガス冷却器22、低温一酸化炭素変成器31、脱硫器33、排気ガスバーナー4、水蒸発器61、燃料混合ガス過熱器64の関係は請求項18に基づいて各々独立に記述したが、請求項19、請求項20、請求項21、請求項22の発明に基づいて複合一体化させてもよい。
【0190】
起動バーナー70燃焼ガスは酸素過多で発生させる必要があるが、改質触媒層21は還元性雰囲気が望ましいため、起動バーナー70燃焼ガスは改質触媒及びその雰囲気から隔絶され、リークなどによる相互の流通が存在しないよう製作されている。改質器2は400℃以上に昇温することが望ましいが、下流の機器に高温に弱いものがあるので起動バーナー70の燃焼ガス温度は400〜500℃程度であることが望ましい。これを達成するため、起動バーナー70は少なくとも燃料体積の60倍程度の空気を導入し、かつこの混合比で安定に燃焼させるために触媒燃焼器を使用することが好適である。
【0191】
また、排気ガスバーナー4と燃料混合ガス過熱器64の間には起動バーナー70からの燃焼ガスが排気ガスバーナー4からの燃焼ガス流路に合流する第1の合流点73が形成され、燃料混合ガス過熱器64と水蒸発器61の間には燃焼ガスが分れる分岐点71が形成され、さらには分岐点71の下流には再度燃焼ガス流路に燃焼ガスが合流する第2の合流点74が形成されている。
【0192】
装置起動時には起動バーナー70が動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器2の改質触媒層21を通過した後(図中の*)、第1の合流点73にて排気ガスバーナー4からの燃焼ガス流路に入る。このガス流路には元来、排気ガスバーナー4からの燃焼ガスが流れているため、雰囲気還元性である必要はなく、起動バーナー70の燃焼ガスラインと共通化している。
【0193】
さらに、起動バーナー70からの燃焼ガスは燃料混合ガス過熱器64を通過し、分岐点71にて直接水蒸発器61に通じる通常の流路から一部が分岐し(図中の**)、燃料電池冷却媒体加熱器135、脱硫器33の吸収材層、低温一酸化炭素変成器31の触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層を貫流する。起動バーナー70燃焼ガスは脱硫器33吸収材、低温一酸化炭素変成器31触媒、選択酸化式一酸化炭素除去器32触媒及びその雰囲気から隔絶され、リークなどによる相互の流通が存在しないよう製作されている。選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層を貫流した起動バーナー70燃焼ガスは、合流点72にて分岐点71にて分岐した残余の起動バーナー70燃焼ガスと合流し、水蒸発器61、水凝縮器5の順に送られる。
【0194】
なお、選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層は、反応器が複数から成る場合には2つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器135は図19では燃料処理系冷却媒体循環径路133の水素リッチガス冷却器22上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料電池冷却媒体加熱器134の下流かつ燃料電池1の上流の部分を除く、燃料処理系冷却媒体循環径路133を含む燃料電池冷却媒体径路131のいずれの位置でもよい。燃料電池冷却媒体加熱器134の下流かつ燃料電池1の上流の部分は、この部分で測定した燃料電池冷却媒体温度で燃料電池冷却媒体冷却器134での熱交換量を制御することが多い。そのため、この位置に燃料電池加熱器135を設置すると擾乱要因となり易い。また、図19では脱硫器33は水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の中間に設置されているが、ここに限定されず例えば改質器2導入前の燃料流路に設置してもよい。
【0195】
[作用効果]
以上のような構成を有する第19の実施の形態の作用効果は次の通りである。すなわち、装置起動時に発生した燃焼ガス起動バーナー70の燃焼ガスは、燃料混合ガス過熱器64を通過してこれを暖める。このとき燃料混合ガス過熱器64の望ましい運転温度には未達であるが、燃料混合ガス過熱器64は熱回収のために存在し、起動時には効率は度外視するので、運転温度程度にまで昇温する必要はなく、この条件で機能を充分に果たすことができる。
【0196】
このような流路構成を取ることで、起動バーナー70燃焼ガスという同一の加熱源を用いながら、燃料電池冷却媒体加熱器135、脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32、水蒸発器61の昇温を同調して行うことができる。
【0197】
また、第19の実施の形態では、改質触媒層21、脱硫器33吸収材層、低温一酸化炭素変成器31触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去器32触媒層といった燃料電池1燃料極11の上流に位置する機器について、水素リッチガスが流通する経路とは独立して起動バーナー70燃焼ガスの流通経路を設置している。そのため、燃料処理系の触媒層において高温・還元性雰囲気での使用が想定されていても、燃焼ガスの流通により酸化及び結露が生じて活性低下が起きるおそれがなく、起動前の昇温に加えて還元操作を行う必要がない。
【0198】
(20)第20の実施の形態
[構成]
請求項24及び25にかかる第20の実施の形態について図20を参照して説明する。第20の実施の形態は前記第19の実施の形態(請求項23の発明に対応)において、起動バーナー70燃焼ガスと排気ガスバーナー4燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けた点に特徴があり、切替えを請求項25の発明にかかる運転方法で実施している。
【0199】
すなわち、第8の実施の形態と同じく、起動バーナー70と第1の合流点73の間に第1止め弁75が設けられ、分岐点71と燃料電池冷却媒体加熱器135の間に第2止め弁76が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層と第2の合流点74の間に第3止め弁77が設けられている。これら3つの止め弁75、76及び77を請求項25の発明にかかる運転方法により開閉し、燃焼ガスの流路切替えを行うようになっている。
【0200】
[止め弁の開閉]
装置起動時には起動バーナー70が点火されると共に、3つすべての止め弁75、76、77が開き、起動バーナー70燃焼ガスが流通する。分岐点71と第2の合流点74の間には止め弁は無く、燃料混合ガス過熱器64出口側の高温ガスの一部は直接、水蒸発器61を加熱する。なお、分岐点71で分岐するガス流量を最適に配分するため、分岐点71と第2の合流点74の間にはオリフィスなどの圧損要素を設置してもよい。
【0201】
燃料電池冷却媒体加熱器135、脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32のすべての昇温が完了したら、第2止め弁76及び第3止め弁77を閉じる。但し、何らかの原因でいずれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合には他の機器の昇温が完了していなくとも、第2止め弁76及び第3止め弁77を閉じる。
【0202】
第2止め弁76と第3止め弁77の間に設置してある機器には温度の上限があるものが多い。例えば、燃料電池冷却媒体加熱器135の温度が沸点に近づくことは燃料電池冷却媒体全体がこの温度まで昇温することを意味するので、固体高分子電解質膜を初めとする燃料電池1の構成部材に損傷を与える可能性がある。また、脱硫器33と低温一酸化炭素変成器31は前述したように昇華性のZnOを含む場合があり、選択酸化式一酸化炭素除去器32では高温で反応の選択性が悪化する傾向が見られている。そのため、これら機器に最高限界温度を設定し、いづれかが限界に達したら第2止め弁76及び第3止め弁77を閉じて、機器の昇温を中断する。
【0203】
一方、水蒸発器61は第2の合流点74で合流した起動バーナー70燃焼ガスで昇温される。この温度が目標温度に達しない間は第1止め弁75が開いて起動バーナー70燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第2止め弁76及び第3止め弁77が閉じていたら、起動のための加熱を終了して第1止め弁75が閉り、起動バーナー70が停止して発電運転に移行する。
【0204】
運転中はこれらすべての弁75、76、77が閉じて通常運転時の熱バランスを擾乱させない。停止時には第2止め弁76及び第3止め弁77が開いて起動バーナー燃焼ガス流路が水凝縮などで減圧し、リークなどの不適合の原因となることを防ぐことができる。
【0205】
但し、燃料電池冷却媒体加熱器135から選択酸化式一酸化炭素除去器32の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器61の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器61温度が予め設定された最高限界温度に達した場合は第2止め弁76及び第3止め弁77を開けたままで第1止め弁75を閉め、起動バーナー70を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱する。水蒸発器61の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい。
【0206】
[作用効果]
第20の実施の形態では、上記の機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぐことが可能となった。また、止め弁の開閉により燃焼ガス流路の切替えることができるので、起動バーナー70の燃焼ガス流路と排気ガスバーナー4の燃焼ガス流路を共通化でき、装置の簡素化を図ることができる。
【0207】
(21)第21の実施の形態
[構成]
請求項26、27にかかる第21の実施の形態について図21を用いて説明する。第21の実施の形態と前記第20の実施の形態との相違点は、第21の実施の形態では第2止め弁76と第3止め弁77の間に第2の分岐点72があり、ここから大気に開放するベント配管が設置されていて、これに第4止め弁78が設置されていることである。これは第2止め弁76と第3止め弁77が閉じた時にこの間を封じ切りにしないためのものである。これら4つの止め弁75、76、77及び78を請求項27の発明にかかる運転方法により開閉し、前記第20の実施の形態と同じく、起動バーナー70燃焼ガスと排気ガスバーナー4燃焼ガスの流路切替えるになっている。なお、前記分岐点71をここでは第1の分岐点71とする。
【0208】
[止め弁の開閉]
装置起動時には起動バーナー70が点火されると共に、第4止め弁78以外の3つの止め弁75、76及び77が開き、起動バーナー70燃焼ガスが流通する。第1の分岐点71と第2の合流点74の間には止め弁が無い点、分岐点71と第2の合流点74の間にはオリフィスなどの圧損要素を設置してもよい点などは第20の実施の形態と同様である。
【0209】
燃料電池冷却媒体加熱器135、脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32すべての昇温が完了したら、第2止め弁76及び第3止め弁77を閉じ、第1止め弁75及び第4止め弁78を開く。但し、何らかの原因でいずれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合は他の機器の昇温が完了していなくとも第2止め弁76及び第3止め弁77を閉じ、第4止め弁78を開いて、機器の安全性を確保する。
【0210】
一方、水蒸発器61の温度が目標温度に達しない間は第1止め弁75が開いて起動バーナー70燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第2止め弁76及び第3止め弁77が閉じかつ第4止め弁78が開いていたら、起動のための加熱を終了して第1止め弁75が閉り、起動バーナー70が停止して発電運転に移行する。
【0211】
運転中はこれらすべての止め弁75、76、77及び78が閉じて通常運転時の熱バランスの擾乱を防ぐようになっている。停止時には第2止め弁76か第3止め弁77のどちらかと第4止め弁78が開いて起動バーナー70燃焼ガス流路の減圧を防ぐことができる。
【0212】
但し、燃料電池冷却媒体加熱器135から選択酸化式一酸化炭素除去器32の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器61の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器61温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第2止め弁76及び第3止め弁77を開け、かつ第4止め弁78を閉めた状態で第1止め弁75を閉める。これにより、起動バーナー70を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱するものとする。なお、水蒸発器61の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい点は第8の実施の形態と同然である。
【0213】
[作用効果]
以上の第21の実施の形態では、上記の機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぐことができる。また、燃焼ガス流路が切替可能であるため起動バーナー70の燃焼ガス流路と排気ガスバーナー4の燃焼ガス流路を共通化でき、装置を簡素化できる。さらには、第4止め弁78の働きにより起動バーナー70燃焼ガス流路の減圧を防止することができる。
【0214】
(22)第22の実施の形態
[構成]
請求項28にかかる第22の実施の形態について、図22を参照して説明する。第22の実施の形態は第19の実施の形態(請求項23の発明に対応)の変形である。第22の実施の形態は第10の実施の形態と同様、起動バーナー70燃焼ガス流路が分岐点71で分岐され、燃料電池冷却媒体加熱器135、脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32を加熱した起動バーナー70燃焼ガスが以降熱交換に使用されること無く大気中に放出されることを特徴とする。
【0215】
選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層は、反応器が複数から成る場合には2つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器135は図22では燃料処理系冷却媒体循環径路133の水素リッチガス冷却器22上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料電池冷却媒体加熱器134の下流かつ燃料電池1の上流の部分を除く、燃料処理系冷却媒体循環径路133を含む燃料電池冷却媒体径路131のいずれの位置でもよい。また、図22では脱硫器は水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の中間に設置されているが、ここに限定されず例えば改質器2導入前の燃料流路に設置してもよい。
【0216】
[作用効果]
以上のような第22の実施の形態によれば、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつより簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することが可能となった。
【0217】
なお、第19の実施の形態(請求項23の発明に対応)と第22の実施の形態(請求項28の発明に対応)の長短は、選択酸化式一酸化炭素変成器32の目標運転温度、特にこれが複数段に分割されている場合には最終段の目標運転温度に依存する。目標運転温度が高ければ前者の方が有利であり、水の沸点前後の低温であれば後者の方がより効果的である。
【0218】
(23)第23の実施の形態
[構成]
図23に示す第23の実施の形態は、請求項29及び30に対応するものであり、第22の実施の形態(請求項28の発明に対応)において、起動バーナー70燃焼ガスと排気ガスバーナー4燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けた点に特徴がある。すなわち、起動バーナー70と第1の合流点73の間に第1止め弁75が設けられ、分岐点71と脱硫器33の吸収材層の間に第2止め弁76が設けられている。これら止め弁75、76の開閉を請求項30の発明にかかる運転方法で実施している。
【0219】
[止め弁の開閉]
装置起動時には起動バーナー70が点火されると共に、2つの止め弁75、76が開き、起動バーナー70燃焼ガスが流通する。流量配分最適化のための圧損要素は水蒸発器61の上流に設置する必要が無く、かつ圧損要素として水蒸発器61及び水凝縮器5をカウントすることができるので、第2の合流点74を有する場合より設置する圧損要素を低減し、排気ガスライン全体の圧損を低下させることが可能である。
【0220】
燃料電池冷却媒体加熱器135、脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32すべての昇温が完了したら、第2止め弁76を閉じる。但し、何らかの原因でいづれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合は他の機器の昇温が完了していなくとも第2止め弁76を閉じ、安全性を確保する。
【0221】
一方、水蒸発器61は温度が目標温度に達しない間は第1止め弁75が開いて起動バーナー70燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第2止め弁76が閉じていたら起動のための加熱を終了して第1止め弁75が閉り、起動バーナー70が停止して発電運転に移行する。
【0222】
運転中は止め弁75及び76が両方とも閉じて通常運転時の熱バランスの擾乱を防止する。停止時には第2止め弁76が開いても閉じていても起動バーナー70燃焼ガス流路は大気に開放されるので、減圧のおそれはない。但し、燃料電池冷却媒体加熱器135から選択酸化式一酸化炭素除去器32の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器61の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器61温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第2止め弁76を開けたままで第1止め弁75を閉め、起動バーナー70を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱する。なお、水蒸発器61の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい。
【0223】
[作用効果]
第23の実施の形態では、上記のような機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぎながら、より簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することが可能となった。
【0224】
(24)第24の実施の形態
[構成]
第24の実施の形態は請求項31に対応しており、図24は第24の実施の形態の構成図を示している。第24の実施の形態では、起動バーナー70燃焼ガスが改質器2の改質触媒層21を通過した後、合流点73にて排気ガスバーナー4からの燃焼ガス流路に流入し、燃料混合ガス過熱器64、水蒸発器61、燃料電池冷却媒体加熱器135、水凝縮器5の順に通過するように構成されたことを特徴とする。
【0225】
起動バーナー70で発生した起動バーナー70燃焼ガスは改質触媒層21を貫流して加熱した後、燃料混合ガス過熱器64を過熱し、さらに水蒸発器61を加熱する。ここでガス温度が比較的低位になってから、燃料電池冷却媒体加熱器135を加熱する。燃料電池冷却媒体は通常水の沸点以下高々85℃程度なので、水蒸発器61加熱後のガスでも加熱可能である。燃料電池冷却媒体加熱器135を出た起動バーナー70燃焼ガスは水凝縮器5を経て大気に放出される。なお、目標昇温温度が比較的低くかつ加熱に必要な熱量が比較的少ない脱硫器33、低温一酸化炭素変成器31、選択酸化式一酸化炭素除去器32の昇温は電力で行うようになっている。
【0226】
選択酸化式一酸化炭素除去器32の触媒層は、反応器が複数から成る場合には2つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器135は図12では燃料処理系冷却媒体循環径路133の水素リッチガス冷却器22上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料電池冷却媒体加熱器134の下流かつ燃料電池1の上流の部分を除く、燃料処理系冷却媒体循環径路133を含む燃料電池冷却媒体径路131のいずれの位置でもよい。燃料電池冷却媒体加熱器134の下流かつ燃料電池1の上流部分は通常、燃料電池冷却媒体温度の測定箇所であり、測定結果に基づいて燃料電池冷却媒体冷却器134での熱交換量を制御する。したがって、前記の位置を燃料電池加熱器135の設置位置に選ぶと擾乱要因となり易い。そのためこの部分は外す。また、図24では脱硫器33は水素リッチガス冷却器22と低温一酸化炭素変成器31の中間に設置されているが、ここに限定されず例えば改質器2導入前の燃料流路に設置してもよい。
【0227】
[作用効果]
以上の第24の実施の形態では、高温が必要な改質器22の昇温及び昇温に多くの熱量を必要とする燃料電池冷却媒体加熱器135及び水蒸発器61の加熱にのみ起動バーナー70燃焼ガスを使用している。つまり、機器を選んで燃焼ガスを供給することにより燃焼ガス流路をシンプルに構成することができ、装置の簡略化を進めることができる。
【0228】
なお、請求項23もしくは請求項28の発明と請求項31の発明のどちらを採用するかは、装置の規模に依存する。装置規模が大きければ請求項23もしくは請求項28の発明が有利であり、装置規模が小さければ請求項31の発明の方がより効果的である。
【0229】
(25)第25の実施の形態
[構成]
請求項32及び33に対応する第25の実施の形態について、図25を用いて説明する。第25の実施の形態は第24の実施の形態(請求項31の発明に対応)において、起動バーナー70燃焼ガスと排気ガスバーナー4燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けている。すなわち、起動バーナー70と第1の合流点73の間に第1止め弁75が設けられ、請求項33の発明にかかる運転方法により第1止め弁75を開閉してガス流路の切替えを行っている。
【0230】
[止め弁の開閉]
装置起動時には起動バーナー70が点火されると共に、第1止め弁75が開き、起動バーナー70燃焼ガスが流通する。流量配分最適化の必要が無いのでそのための圧損要素は不要である。水蒸発器61は温度が目標温度に達しない間は止め弁75が開いて起動バーナー70燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達したら起動のための加熱を終了して第1止め弁75が閉り、起動バーナー70が停止して発電運転に移行する。
【0231】
運転中は第1止め弁75が閉じて通常運転時の熱バランスを擾乱させない。停止時には第1止め弁75が開いても閉じていてもその両側とも大気に開放されるので減圧のおそれはない。但し、水蒸発器61の昇温が未了であるのに燃料電池冷却媒体加熱器135の昇温が最高限界温度に達した場合は、燃料電池1の冷却水温度調節を目的に設置された燃料電池冷却媒体冷却器134により熱を放出する。これにより水蒸発器61の昇温を継続しながら燃料電池冷却媒体の過度の昇温を防ぐ。
【0232】
[作用効果]
第25の実施の形態では、上記のような機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぎながら、より簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することができる。
【0233】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コンパクトで機器構成が簡素でありながら、停止状態から短時間で起動でき、かつ排熱を有効に回収する高効率の固体高分子型燃料電池発電装置及びその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の構成図。
【図2】本発明の第2の実施の形態の構成図。
【図3】本発明の第3の実施の形態の構成図。
【図4】本発明の第4の実施の形態の構成図。
【図5】本発明の第5の実施の形態の構成図。
【図6】本発明の第6の実施の形態の構成図。
【図7】本発明の第7の実施の形態の構成図。
【図8】本発明の第8の実施の形態の構成図。
【図9】本発明の第9の実施の形態の構成図。
【図10】本発明の第10の実施の形態の構成図。
【図11】本発明の第11の実施の形態の構成図。
【図12】本発明の第12の実施の形態の構成図。
【図13】本発明の第13の実施の形態の構成図。
【図14】本発明の第14の実施の形態の構成図。
【図15】本発明の第15の実施の形態の構成図。
【図16】本発明の第16の実施の形態の構成図。
【図17】本発明の第17の実施の形態の構成図。
【図18】本発明の第18の実施の形態の構成図。
【図19】本発明の第19実施の形態の構成図。
【図20】本発明の第20の実施の形態の構成図。
【図21】本発明の第21の実施の形態の構成図。
【図22】本発明の第22の実施の形態の構成図。
【図23】本発明の第23の実施の形態の構成図。
【図24】本発明の第24の実施の形態の構成図。
【図25】本発明の第25の実施の形態の構成図。
【図26】従来の固体高分子型燃料電池発電装置の構成図。
【符号の説明】
1:燃料電池
11:燃料極
12:酸化剤極
13:冷却装置
131:燃料電池冷却媒体径路
132:冷却媒体循環ポンプ
133:燃料処理系冷却媒体循環径路
134:燃料電池冷却媒体冷却器
135:燃料電池冷却媒体加熱器
2:改質器
21:改質触媒層
22:水素リッチガス冷却器
3:一酸化炭素変成器
31:低温一酸化炭素変成器
32:選択酸化式一酸化炭素除去器
33:脱硫器
4:排気ガスバーナー
5:水凝縮器
61:水蒸発器
62:水蒸気過熱器
63:燃料混合ガス予熱器
64:燃料混合ガス過熱器
70:起動バーナー
71:第1の分岐点
72:第2の分岐点
73:第1の合流点
74:第2の合流点
75:第1止め弁
76:第2止め弁
77:第3止め弁
78:第4止め弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell power generator whose operating temperature is lower than the boiling point of water, and in particular, a polymer electrolyte fuel cell generator using a gas containing oxygen such as water vapor and air for fuel reforming. And the operation method thereof.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell power generation device is a power generation device that directly converts chemical energy into electrical energy by performing an electrochemical reaction using a continuously supplied fluid as a raw material. FIG. 26 shows the basic equipment configuration. As shown in the figure, a fuel cell 1, a
[0003]
The fuel cell 1 has an ion conductive electrolyte layer and a
[0004]
The
[0005]
The fuel may contain oxygen atoms, but it reacts with hydrogen or water such as nitrogen to produce a basic compound, which may be deactivated when an acidic electrolyte layer is used, or modified with sulfur or halogen. A compound containing an atom that may poison a catalyst or the like, or an atom in which an oxide such as a metal element is non-volatile is not desirable as a fuel. These low-concentration substances are selected as fuel, and at the same time, if such undesirable substances are included in the fuel, they should be removed at least before reaching equipment that may be affected by poisoning. There is a need. Examples of the fuel suitable for the fuel cell include city gas, LPG, methanol, and kerosene.
[0006]
Typical reforming methods for fuel include steam reforming using only steam and partial oxidation steam reforming using oxygen or air in combination with steam. The partial oxidation steam reforming reaction in the
[0007]
[Chemical 1]
CH Four + H 2 O → CO + 3H 2 ... (1)
[Chemical 2]
CH Four + O 2 → CO + H 2 O + H 2 ... (2)
[Chemical 3]
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ... (3)
Reaction (1) is an endothermic reaction of -206 kJ / mol, reaction (2) is an exothermic reaction of +278 kJ / mol under standard conditions, and reaction (3) called a CO shift reaction is an exothermic reaction of +41 kJ / mol. In the
[0008]
However O 2 In the partial oxidation reformation in the narrow sense using only the gas containing oxygen as the oxidant, the total heat balance is an exothermic reaction of +319 kJ / mol from the reactions (2) and (3). Four 2 H per hit 2 Only generate. Water and O 2 The heat balance in partial oxidation steam reforming using both of these for reforming is intermediate between the above two examples. 2 / CH Four = 0.34 thermally balanced, CH in this case Four H per hit 2 The amount produced is 3.3. O 2 If the amount is greater than this balance value, the total heat balance in the reforming reaction will be exothermic and CH Four H per hit 2 The production amount is reduced from 3.3, and the efficiency is lowered. Conversely, if it is smaller than this value, it becomes endothermic and CH Four H per hit 2 The production increases from 3.3 and the efficiency increases.
[0009]
Since a pure steam reforming reaction is a large endothermic reaction, it is necessary to supply a large amount of heat from the outside in order to maintain the reaction. Therefore, a complicated mechanism is indispensable for heating the
[0010]
Examples of the reforming catalyst used for the reforming
[0011]
Since carbon monoxide poisons a catalyst that causes an electrochemical reaction at the
[0012]
In many cases, the
[0013]
By the way, since the CO shift reaction in the low temperature
[0014]
The fuels such as city gas, LPG, and kerosene contain trace amounts of sulfur in the form of organic compounds, which can poison various catalysts used in the above reactors, particularly at low temperatures. is there. An example of such a catalyst is a Cu—ZnO-based low temperature carbon monoxide conversion catalyst. For this reason, a
[0015]
The
[0016]
The hydrogen-rich gas from which harmful impurities have been removed by the above-described means enters the fuel cell 1 and between oxygen contained in the air flowing through the fuel
[0017]
[Formula 4]
Fuel electrode: 2H 2 → 4H + + 4e - (4)
[Chemical formula 5]
Oxidant electrode: O 2 + 4HH + + 4e - → 2H 2 O ... (5)
In terms of efficiency, it is better that the utilization rate of hydrogen in the hydrogen-rich gas due to electrochemical reaction is higher, but if the utilization rate becomes too high, factors such as fluctuations in the flow rate of hydrogen-rich gas and non-uniform distribution of hydrogen-rich gas in the fuel cell 1 There is a risk of fuel shortage. Therefore, the hydrogen utilization rate is desirably 80% or less.
[0018]
Part of the combustible gas supplied to the fuel
[0019]
The combustion gas of the
[0020]
The fuel cell power generation apparatus having the above configuration is divided into several types depending on the electrolyte layer of the fuel cell. That is, a phosphoric acid fuel cell using phosphoric acid, an alkaline fuel cell using an alkaline aqueous solution, a molten carbonate fuel cell using a molten carbonate, a solid electrolyte fuel cell using a solid ceramic electrolyte, and a solid polymer electrolyte Examples thereof include solid polymer electrolyte fuel cells to be used. Among these, the solid polymer electrolyte fuel cell is operated at a relatively low temperature below the boiling point of water, so it can be started up in a relatively short time, and a high output density is expected. In recent years, it has attracted particular attention due to the absence of electrolyte depletion.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
However, the solid polymer electrolyte fuel cell has the following problems to be solved in order to increase the efficiency of the power generation device. Power generation efficiency is H from fuel 2 However, in order to increase this, the reaction in the
[0022]
In addition, a water evaporator that generates water vapor to be supplied to the
[0023]
Thus, although the demand as a heat source for the
[0024]
Further, in order to start the fuel cell power generator, it is necessary to raise the temperature to a temperature at which each device exhibits its function. The catalyst of the
[0025]
Furthermore, it is necessary to raise the temperature of the reforming
[0026]
As for the water evaporator, water vapor is not generated unless the temperature is raised. In the partial oxidation steam reforming reaction, hydrogen can be generated without using steam as a raw material gas. However, since the calorific value for the input fuel is remarkably increased compared with the assumption that steam is introduced during normal operation, reforming is possible. The
[0027]
In a type other than the solid polymer type fuel cell, for example, a phosphoric acid type fuel cell, it was possible to raise the temperature using a fuel cell cooling medium circulating in each device. That is, when a Cu—ZnO-based low temperature carbon monoxide conversion catalyst is used in the low temperature
[0028]
The present invention has been proposed in order to solve the above-described problems of the prior art, and its main purpose is to be able to start from a stopped state in a short time while being compact and having a simple device configuration, and An object of the present invention is to provide a highly efficient polymer electrolyte fuel cell power generator that effectively recovers exhaust heat and an operation method thereof.
[0029]
Another object of the present invention is to propose a polymer electrolyte fuel cell power generation device that achieves downsizing of each device and reduction of heat dissipation loss, downsizing of the entire device, and higher efficiency. is there.
[0030]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been proposed in order to achieve the above object, and includes a fuel cell having a gas containing hydrogen as a fuel and a solid polymer as an electrolyte and an oxidizer electrode and a fuel electrode, and via the fuel cell. A fuel cell cooling medium path for circulating the cooling medium, and a fuel processing system cooling medium path for branching the fuel cell cooling medium from the fuel cell upstream of the fuel cell cooling medium path and joining the fuel cell cooling medium to the fuel cell cooling medium path downstream of the fuel cell A cooling medium circulation pump that circulates the cooling medium through the fuel cell cooling medium path, a fuel cell cooling medium cooler that removes heat from the cooling medium and adjusts the temperature of the cooling medium, and an upstream of the fuel cell fuel electrode. A reforming catalyst layer having a reforming catalyst layer containing at least one carbon atom and one hydrogen atom in the molecule, a gas containing oxygen, and a mixture of water vapor and hydrogen-rich gas A reformer to be reformed, a hydrogen rich gas cooler that is installed downstream of the reformer of the hydrogen rich gas flow path and performs heat exchange between the hydrogen rich gas and the fuel cell cooling medium flowing through the fuel processing system coolant path, and the hydrogen rich gas A low-temperature carbon monoxide converter having a low-temperature carbon monoxide conversion catalyst layer installed downstream of the cooler, and an absorbent layer installed upstream of the low-temperature carbon monoxide converter, and having the absorbent layer in the fuel or hydrogen rich gas From a desulfurizer that absorbs sulfur, one or more selective carbon monoxide removers that have a selective carbon monoxide removal catalyst layer installed downstream of the low-temperature carbon monoxide converter, and the fuel electrode of the fuel cell An exhaust gas burner that burns by mixing all or part of the exhaust gas from the exhaust gas and all or part of the exhaust gas from the oxidizer electrode, and a mixture of the combustion gas from the exhaust gas burner and the exhaust gas from the oxidizer electrode In the solid polymer fuel cell power plant and a water condenser to condense the provided water from the scan, it has the following characteristics.
[0031]
The invention of claim 1 includes a water evaporator that generates steam to be supplied to the reformer, a steam superheater that superheats steam generated by the water evaporator, and a gas that contains oxygen as fuel to be supplied to the reformer, A fuel mixed gas preheater that heats in a mixed state, and the combustion gas from the exhaust gas burner passes through the steam superheater, the fuel mixed gas preheater, the water evaporator, and the water condenser in this order. A flow path is formed.
[0032]
In the first aspect of the present invention, the combustible material that has not been consumed in the fuel cell is combusted by the exhaust gas burner, and this combustion gas is burned into the steam superheater, the fuel mixed gas preheater, the water evaporator, and the water condenser. And the heat of combustion of the exhaust gas burner can be efficiently recovered by passing through the high-temperature equipment in order. The operating temperature of these devices is the highest in the steam superheater, whose outlet temperature is the reaction gas temperature supplied to the reformer, then the fuel gas mixture preheater, and the exhaust gas temperature after heat exchange is about the boiling point of water The water evaporator and the water condenser in which the exhaust gas temperature after heat exchange falls below the dew point of the fuel cell exhaust gas are decreased in this order. On the other hand, in terms of efficiency, it is desirable to suppress heat generation in the partial oxidation reformer, and for that purpose, it is desirable to raise the temperature of the raw material gas as much as possible. Therefore, it is most desirable in terms of efficiency to distribute the high-temperature gas for heat recovery in this order.
[0033]
In addition, the operating temperature of the fuel gas mixture preheater that heats the gas mixture containing oxygen and gas, such as air, must be kept lower than that of the steam superheater. This is because, when a mixed gas of gas containing oxygen such as air and fuel is heated, it may ignite at a lower temperature than when coexisting with water vapor.
[0034]
By the way, since the amount of heat is large even though the temperature required in the water evaporator is lower than the temperature necessary for the superheating of water vapor and the preheating of the fuel mixed gas, if water evaporation is performed prior to the preheating of the fuel mixed gas, The combustion gas temperature of the exhaust gas burner that is the source is lowered, and the temperature of the fuel mixed gas is not raised, which is disadvantageous in terms of efficiency. In the present invention, since the water evaporator and the steam superheater are separated, such disadvantages in efficiency can be avoided, and the flow rate can be easily controlled.
[0035]
According to a second aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the first aspect, a hydrogen-rich gas cooler is installed in the outer cylinder portion of the reformer, and the reformer and the hydrogen-rich gas cooler are combined and integrated. It is characterized by that.
[0036]
In the invention of
[0037]
According to a third aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the first or second aspect, a steam superheater is installed in an outer cylinder portion of the exhaust gas burner, and the exhaust gas burner and the steam superheater are combined and integrated. It is characterized by that.
[0038]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the third aspect, wherein a mixed gas preheater is installed in an outer cylinder portion of a device in which an exhaust gas burner and a steam superheater are combined and integrated. A gas burner, a steam superheater, and a mixed gas preheater are combined and integrated.
[0039]
In the invention according to the third or fourth aspect, the volume of the power generation apparatus can be reduced by combining the steam superheater or the fuel mixed gas preheater with the exhaust gas burner. Further, the connection flow path between the exhaust gas burner continuous in the flow sequence and the steam superheater or the fuel mixed gas preheater can be minimized. Furthermore, since the exhaust gas burner operated at a higher temperature is surrounded by a steam superheater or a fuel mixed gas preheater operated at a lower temperature, a heat radiation loss from the exhaust gas burner surface to the atmosphere can be suppressed.
[0040]
According to a fifth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the second, third or fourth aspect, a water evaporator and a hydrogen-rich gas cooler are installed in the reformer outer cylinder, and the reformer and the hydrogen The rich gas cooler and the water evaporator are combined and integrated.
[0041]
In the invention of
[0042]
A sixth aspect of the present invention is the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the first, second, third, fourth or fifth aspect, wherein the desulfurizer comprises a hydrogen-rich gas cooler in a hydrogen-rich gas flow path and a low-temperature carbon monoxide converter. Installed in the middle, the low-temperature carbon monoxide transformer and desulfurizer are combined and integrated.
[0043]
In the above invention of claim 6, by integrating the low-temperature carbon monoxide transformer and the desulfurizer, it is possible to realize a reduction in apparatus volume and suppression of heat dissipation loss in the low-temperature carbon monoxide transformer.
[0044]
A seventh aspect of the present invention is the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the first, second, third, fourth, fifth or sixth aspect, wherein the starting burner generates a combustion gas by reacting a fuel and a gas containing oxygen. A fuel cell cooling medium heater for exchanging heat between the cooling medium of the fuel cell and the gas body, and the combustion gas from the start burner is disposed between the exhaust gas burner and the steam superheater from the exhaust gas burner. A first junction that joins the flow path is formed, a branch point where the combustion gas is divided is formed between the fuel mixed gas preheater and the water evaporator, and a second gas that joins the combustion gas downstream of the branch point. A confluence is formed, and the start burner operates to generate combustion gas when the apparatus is started up. After the combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, the exhaust gas burner is discharged from the exhaust gas burner at the first confluence. Steam superheater flows into the combustion gas flow path Combustion gas that has passed through the fuel gas mixture preheater in this order and branched at the branch point is a fuel cell coolant heater, a desulfurizer absorber layer, a low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, and a selective oxidation carbon monoxide removal catalyst. After passing in the order of the layers, the combustion gas from the remaining startup burner is joined again at the second junction, and the startup burner combustion gas passes through the water evaporator and the water condenser in this order. The path through which the startup burner combustion gas flows is independent of the path through which the hydrogen-rich gas flows in the porous catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer. It is characterized by being installed.
[0045]
In the invention of claim 7 having the above-described configuration, after the combustion gas from the start burner passes through the reforming catalyst layer of the reformer when the apparatus is started, the combustion gas from the exhaust gas burner at the first junction point The combustion gas that flows into the flow path, passes through the steam superheater and the fuel mixed gas preheater in this order, and branches at the branching point is the fuel cell cooling medium heater, the absorbent layer of the desulfurizer, and the low-temperature carbon monoxide conversion catalyst. And the selective oxidation type carbon monoxide removal catalyst layer in that order, and then merged again with the combustion gas from the remaining startup burner at the second junction, and further the startup burner combustion gas is passed through the water evaporator and water condenser. Pass in order. This makes it possible to raise the temperature of each device to a sufficiently high temperature before the raw material gas is supplied to the reformer, and to prevent poisoning of the fuel electrode catalyst due to the adsorption of carbon monoxide generated at startup. can do. At the same time, the temperature of the fuel cell cooling medium is increased.
[0046]
In addition, hydrogen-rich gas circulates in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, that is, the equipment located upstream of the fuel cell fuel electrode. Since the start burner combustion gas flow path is installed independently of the flow path, there is concern about oxidation and condensation due to the flow of the combustion gas even if the catalyst layer of the fuel processing system is assumed to be used in a high-temperature, reducing atmosphere. There is no reduction in activity, and no reduction operation before starting is required.
[0047]
According to an eighth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the seventh aspect, the first stop valve is provided between the start burner and the first junction, and the branch point and the fuel cell cooling medium heater are provided. A second stop valve is provided between the two, and a third stop valve is provided between the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer and the second junction.
[0048]
In such an invention of claim 8, since the switching of the flow path is performed by opening and closing the stop valve, the combustion gas flow path of the start burner and the combustion gas flow path of the exhaust burner can be shared, and the equipment can be simplified. it can.
[0049]
The invention of claim 9 is a method for operating the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the invention of claim 8, wherein the apparatus is activated and water evaporator temperature, fuel cell cooling medium heater temperature, desulfurizer temperature, When at least one of the low temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature does not reach the preset target temperature, and none of the temperatures reach the preset maximum limit temperature The first stop valve, the second stop valve, and the third stop valve are opened, and the fuel cell coolant heating temperature, the desulfurizer temperature, the low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, and the selective oxidation carbon monoxide removal are performed at the time of starting the apparatus. If all of the catalyst bed temperature has reached or exceeded the preset target temperature, or any of the temperatures has reached the preset maximum limit temperature and the water evaporator temperature does not reach the preset target temperature The first stop valve When the second and third stop valves are closed and the second and third stop valves are opened and the water evaporator temperature reaches the preset maximum limit temperature, only the first stop valve is used. When the water evaporator temperature reaches a preset target temperature with the second stop valve and the third stop valve closed, the first stop valve closes and shifts to the operating state. The stop valve, the second stop valve, and the third stop valve are closed, and at the time of stop, the first stop valve is closed and the second stop valve and the third stop valve are opened.
[0050]
In the invention of claim 9, by carrying out the operation method as described above, it is possible to raise the temperature of each device to a predetermined temperature almost in synchronization, and to prevent excessive temperature rise. it can.
[0051]
According to a tenth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the eighth aspect, a second branch point is formed at any location in the flow path between the second stop valve and the third stop valve. The second branch point is connected to a pipe that is open to the outside air, and a fourth stop valve is provided in the pipe.
[0052]
The invention of
[0053]
According to the tenth and eleventh aspects of the invention, it is possible to raise the temperature of each device to a predetermined temperature almost in synchronism, prevent excessive temperature rise, and reduce the pressure of the starting burner combustion gas flow path by the function of the fourth stop valve. Can be prevented.
[0054]
A twelfth aspect of the present invention is the solid polymer fuel cell power generator according to the first, second, third, fourth, fifth or sixth aspect, wherein the starter burner generates a combustion gas by reacting a fuel and a gas containing oxygen. A fuel cell cooling medium heater for exchanging heat between the cooling medium of the fuel cell and the gas body, and the combustion gas from the start burner is disposed between the exhaust gas burner and the steam superheater from the exhaust gas burner. A junction where the gas flows into the flow path is formed, and a branch point where the combustion gas is divided is formed between the fuel gas mixture preheater and the water evaporator. After the combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the junction, passes in the order of the steam superheater and the fuel mixed gas preheater, and reaches the branch point. The combustion gas branched off After passing through the battery cooling medium heater, the absorber layer of the desulfurizer, the low-temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer in this order, it exits into the atmosphere and is branched at the branch point. Combustion gas from the remaining start burner is further passed in the order of water evaporator and water condenser, and the reforming catalyst layer, desulfurizer absorber layer, low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, selective oxidation type The carbon monoxide removal catalyst layer is characterized in that a path through which the startup burner combustion gas flows is installed independently of a path through which the hydrogen rich gas flows.
[0055]
In the invention of
[0056]
A thirteenth aspect of the present invention is the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the twelfth aspect, wherein the first stop valve is provided between the start burner and the junction, and the second stop valve is provided between the branch point and the desulfurizer absorbent layer. A valve is provided.
[0057]
A fourteenth aspect of the invention is a method for operating a polymer electrolyte fuel cell power generator according to the thirteenth aspect of the invention, and is activated at the time of starting the fuel cell cooling medium heater, desulfurizer temperature, low temperature carbon monoxide transformation. When at least one of the catalyst layer temperature and the selective oxidation type carbon monoxide removal catalyst layer temperature does not reach the preset target temperature, and none of the temperatures reaches the preset maximum limit temperature, the first stop valve and The second stop valve is opened and all of the fuel cell cooling medium heater temperature, desulfurizer temperature temperature, low temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, and selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature are preset when the apparatus is started. The first stop valve is opened and the second stop valve is reached when the target temperature is exceeded or any one of them reaches a preset maximum limit temperature and the water evaporator temperature does not reach the preset target temperature. Closes When the water evaporator temperature reaches the preset maximum temperature limit with the two stop valves open, only the first stop valve is closed, and the water evaporator temperature is preset with the second stop valve closed. When the target temperature is reached, the first stop valve is closed to shift to an operating state, and the first stop valve and the second stop valve are closed during operation.
[0058]
According to the inventions of
[0059]
The invention according to claim 15 is the solid polymer fuel cell power generator according to
[0060]
In the invention of the fifteenth aspect described above, the start-up burner combustion gas is used only for heating a reformer that requires a high temperature and for heating a fuel cell cooling medium heater or a water evaporator that requires a large amount of heat to raise the temperature. is doing. That is, by selectively performing the temperature rise by the start burner combustion gas, the combustion gas flow path can be simplified and the apparatus can be simplified.
[0061]
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the fifteenth aspect, a stop valve is provided between the start burner and the junction.
[0062]
The invention of claim 17 is a method for operating a polymer electrolyte fuel cell power generator according to the invention of
[0063]
In the inventions of the sixteenth and seventeenth aspects described above, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the fifteenth aspect, it is possible to prevent the temperature rise and excessive temperature rise of each device and to simplify the device. .
[0064]
According to an eighteenth aspect of the present invention, there is provided a water evaporator that generates steam supplied to the reformer, and a fuel mixed gas superheater that superheats a mixed gas of oxygen-containing gas, fuel, and water vapor generated in the water evaporator. The combustion gas flow path is formed so that the combustion gas from the exhaust gas burner passes through the fuel gas mixture superheater, the water evaporator, and the water condenser in this order.
[0065]
In the invention of claim 18 as described above, the combustible material that has not been consumed in the fuel cell is combusted by the exhaust gas burner, and this combustion gas is mixed with the fuel mixed gas superheater, the water evaporator, the water condenser, and the high temperature. By allowing the exhaust gas burner to pass through the devices in order, the combustion heat of the exhaust gas burner can be efficiently recovered. Further, in the invention of claim 18, since the fuel is not only mixed with air but is heated in a state of being mixed with water vapor, the temperature of the reaction gas introduced into the reformer is set higher than that of the invention of claim 1. can do. Furthermore, it is possible to reduce the amount of gas containing oxygen into the reformer.
[0066]
According to a nineteenth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the eighteenth aspect, a hydrogen-rich gas cooler is installed in the outer cylinder portion of the reformer, and the reformer and the hydrogen-rich gas cooler are combined and integrated. It is characterized by that.
[0067]
In the invention of claim 19 as described above, the volume of the power generation device can be reduced by combining and integrating the reformer and the hydrogen rich gas cooler, and the connection flow path between the reformer and the hydrogen rich gas cooler. And minimizing heat dissipation loss from the reformer surface to the atmosphere.
[0068]
According to a twentieth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the eighteenth or nineteenth aspect, a fuel mixed gas superheater is installed in an outer cylinder portion of the exhaust gas burner, and the exhaust gas burner and the fuel mixed gas superheater are provided. Is combined and integrated.
[0069]
In the above invention of claim 20, it is possible to reduce the volume of the power generator by integrating the fuel gas mixture superheater with the exhaust gas burner. In addition, the connection flow path between the exhaust gas burner and the fuel mixed gas superheater can be minimized. Furthermore, by surrounding the exhaust gas burner with a fuel mixture gas superheater, heat loss from the exhaust gas burner surface to the atmosphere can be suppressed.
[0070]
A twenty-first aspect of the present invention is the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the nineteenth or twentieth aspect, wherein a water evaporator and a hydrogen rich gas cooler are installed in the reformer outer cylinder, and the reformer and the hydrogen rich gas cooling are installed. The apparatus and the water evaporator are combined and integrated.
[0071]
In the invention of
[0072]
According to a twenty-second aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the eighteenth, nineteenth, twenty-first, or twenty-first aspect, the desulfurizer is located between the hydrogen-rich gas cooler and the low-temperature carbon monoxide converter in the hydrogen-rich gas passage. It is installed and the low-temperature carbon monoxide transformer and the desulfurizer are combined and integrated.
[0073]
In the invention of the twenty-second aspect described above, by integrating the low-temperature carbon monoxide converter and the desulfurizer, it is possible to reduce the apparatus volume and to suppress the heat dissipation loss in the low-temperature carbon monoxide converter.
[0074]
The invention according to claim 23 is the solid polymer fuel cell power generator according to
[0075]
The invention of claim 23 having the above configuration has the same effect as that of the invention of claim 7 described above. That is, when the apparatus is activated, the combustion gas from the activation burner passes through the reforming catalyst layer of the reformer, and then flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the first merge point, and the steam superheater, fuel The combustion gas that has passed through the mixed gas preheater in this order and branched at the branch point is a fuel cell cooling medium heater, a desulfurizer absorber layer, a low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, and a selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer. Then, the remaining combustion gas from the remaining start burner joins again at the second confluence, and the start burner combustion gas passes through the water evaporator and the water condenser in this order. This makes it possible to raise the temperature of each device to a sufficiently high temperature before the raw material gas is supplied to the reformer, and to prevent poisoning of the fuel electrode catalyst due to the adsorption of carbon monoxide generated at startup. can do. At the same time, the temperature of the fuel cell cooling medium is increased.
[0076]
In addition, hydrogen-rich gas circulates in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, that is, the equipment located upstream of the fuel cell fuel electrode. Since the flow path of the startup burner combustion gas is installed independently of the path, there is no fear of oxidation and dew condensation due to the flow of the combustion gas, there is no decrease in activity, and there is no need to perform a reduction operation before startup.
[0077]
According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the twenty-third aspect, a first stop valve is provided between the reforming catalyst layer of the reformer and the first junction, A second stop valve is provided between the desulfurizer absorbent layer, and a third stop valve is provided between the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer and the second junction.
[0078]
In the invention of claim 24, as in the invention of claim 8, since the switching of the flow path is performed by opening and closing the stop valve, the combustion gas flow path of the start burner and the combustion gas flow path of the exhaust burner are made common. And the equipment can be simplified.
[0079]
The invention of claim 25 is a method for operating a polymer electrolyte fuel cell power generator according to the invention of claim 24, wherein the apparatus is activated and water evaporator temperature, fuel cell cooling medium heater temperature, desulfurizer temperature, When at least one of the low temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature does not reach the preset target temperature, and none of the temperatures reach the preset maximum limit temperature The first stop valve, the second stop valve, and the third stop valve are opened, and the fuel cell coolant heating temperature, the desulfurizer temperature, the low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, and the selective oxidation carbon monoxide removal are performed at the time of starting the apparatus. If all of the catalyst bed temperature has reached or exceeded the preset target temperature, or any of the temperatures has reached the preset maximum limit temperature and the water evaporator temperature does not reach the preset target temperature First stop Is opened, the second stop valve and the third stop valve are closed, and when the water evaporator temperature reaches a preset maximum limit temperature with the second stop valve and the third stop valve open, the first stop When the water evaporator temperature reaches the preset target temperature with only the valve closed and the second stop valve and the third stop valve closed, the first stop valve closes and shifts to the operating state. The first stop valve, the second stop valve, and the third stop valve are closed, and at the time of stop, the first stop valve is closed and the second stop valve and the third stop valve are opened.
[0080]
In the invention of claim 25, by implementing the operation method as described above, it is possible to raise the temperature of each device to a predetermined temperature almost in synchronism, and to prevent excessive temperature rise. .
[0081]
According to a twenty-sixth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the twenty-fourth aspect, a second branch point is formed at any location in the flow path between the second stop valve and the third stop valve. The second branch point is connected to a pipe that is open to the outside air, and a fourth stop valve is provided in the pipe.
[0082]
A twenty-seventh aspect of the invention is a method for operating a polymer electrolyte fuel cell power generator according to the twenty-sixth aspect of the invention, and is a device for starting a fuel cell cooling medium heater, a desulfurizer temperature, a low temperature carbon monoxide conversion catalyst. And at least one of the selective oxidation type carbon monoxide removal catalyst layer temperatures does not reach a preset target temperature, and when none of the temperatures reaches a preset maximum limit temperature, the first stop valve, the second The stop valve and the third stop valve are opened and the fourth stop valve is closed. At the time of starting the apparatus, the temperature of the fuel cell cooling medium heater, the temperature of the desulfurizer, the temperature of the low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, the selective oxidation type carbon monoxide removal If all of the catalyst bed temperatures have reached or exceeded a preset target temperature or any of them has reached a preset maximum limit temperature and the water evaporator temperature has not reached the preset target temperature, the second Stop valve and third The maximum limit temperature at which the water evaporator temperature is set in advance with the first stop valve and the fourth stop valve open, the second stop valve and the third stop valve open and the fourth stop valve closed. When the water vaporizer temperature reaches the preset target temperature with the second stop valve and the third stop valve closed, the first stop valve is closed. The fourth stop valve opens and shifts to an operating state. During operation, the first stop valve, the second stop valve, and the third stop valve are closed and the fourth stop valve is opened, and when the apparatus is stopped, the second stop valve or the third stop valve is opened. At least one of the stop valves and the fourth stop valve are opened.
[0083]
According to the inventions of the above 26th and 27th aspects, each device can be heated up to a predetermined temperature almost in synchronism, and an excessive temperature rise is prevented, and the depressurization of the start burner combustion gas flow path is effected by the function of the fourth stop valve. Can be prevented.
[0084]
A twenty-eighth aspect of the present invention is the solid polymer fuel cell power generator according to the eighteenth, nineteenth, twenty-first, or twenty-second aspect of the present invention, and an activation burner that generates a combustion gas by reacting a fuel and a gas containing oxygen; A fuel cell cooling medium heater for exchanging heat between the battery cooling medium and the gas body is provided, and the combustion gas from the start burner is combusted from the exhaust gas burner between the exhaust gas burner and the fuel mixed gas superheater. A junction that joins the flow path is formed, a branch point is formed between the fuel gas mixture superheater and the water evaporator, and a combustion gas is generated when the start burner operates when the device is started. After the combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the junction, then passes through the fuel mixed gas superheater, and is branched at the branching point. Combustion gas is fuel After passing through the pond cooling medium heater, the absorber layer of the desulfurizer, the low-temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer in this order, it exits into the atmosphere and is branched at the branch point. Combustion gas from the remaining start burner is further passed in the order of water evaporator and water condenser, and the reforming catalyst layer, desulfurizer absorber layer, low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, selective oxidation type The carbon monoxide removal catalyst layer is characterized in that a path through which the startup burner combustion gas flows is installed independently of a path through which the hydrogen rich gas flows.
[0085]
In the invention of claim 28, after the combustion gas from the start burner passes through the reforming catalyst layer of the reformer at the time of starting the apparatus, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the junction, The combustion gas that has passed through the superheater and the fuel gas mixture preheater in this order and branched at the branch point is the fuel cell cooling medium heater, the absorber layer of the desulfurizer, the low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, and the selective oxidation type monoxide Until it passes through the carbon removal catalyst layer in the order, it is the same as the invention of
[0086]
A twenty-ninth aspect of the present invention is the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the twenty-eighth aspect, wherein a first stop valve is provided between the reforming catalyst layer and the junction, and between the branch point and the desulfurizer absorbent layer. The second stop valve is provided in the above.
[0087]
A thirty-third aspect of the invention is a method for operating a polymer electrolyte fuel cell power generator according to the twenty-ninth aspect of the invention, wherein the apparatus is activated and the desulfurizer temperature, the low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, the selective oxidation formula When at least one of the carbon oxide removal catalyst layer temperatures does not reach the preset target temperature, the first stop valve and the second stop valve are opened, and the desulfurizer temperature temperature, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst is activated at the time of starting the apparatus. The first stop valve is opened and the second stop valve is closed when all of the bed temperature and the selective oxidation type carbon monoxide removal catalyst layer temperature have reached or exceeded the preset target temperature, and the first stop valve and the second stop valve are closed during operation. The second stop valve is closed.
[0088]
In the above inventions of claims 29 and 30, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 28, each device can be heated substantially to a predetermined temperature in synchronism with each other, while preventing excessive temperature rise. Can be simplified.
[0089]
The invention according to
[0090]
In the invention of the above-described
[0091]
According to a thirty-second aspect of the invention, in the polymer electrolyte fuel cell power generator according to the thirty-first aspect, a stop valve is provided between the reforming catalyst layer of the reformer and the junction.
[0092]
A thirty-third aspect of the invention is a method for operating a polymer electrolyte fuel cell power generator according to the thirty-second aspect of the invention, and stops if the water evaporator temperature at the time of starting the apparatus does not reach a preset target temperature. If the fuel cell cooling medium heater temperature reaches the preset maximum limit temperature with the valve open and the stop valve open, the fuel cell cooling medium cooler is operated to perform temperature control and water evaporation When the reactor temperature reaches the preset target temperature, the stop valve closes and shifts to the operating state. The stop valve closes during operation, and the desulfurizer, the low-temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and selective oxidation type monoxide during operation The temperature of the carbon removal catalyst layer is individually heated by electric power.
[0093]
In the inventions of
[0094]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(1) First embodiment
[Constitution]
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. The same members as those of the conventional example shown in FIG.
[0095]
First, a first embodiment according to claim 1 is shown in FIG. A
[0096]
Steam is generated in the
[0097]
A gas containing at least one carbon atom and one hydrogen atom in the molecule is applied to the fuel. Specifically, gaseous hydrocarbons such as methane, ethane, propane, and butane, and vapors of liquid hydrocarbons such as city gas, gasoline, kerosene, and light oil mainly composed of these, and methanol, ethanol, dimethyl ether, and isopropanol And organic compounds containing oxygen such as acetone. Substances produced by non-volatile substances such as organosilicon compounds and organometallic compounds are not suitable as fuels because the products are deposited inside the
[0098]
The preheating of the fuel mixed gas in the fuel mixed
[0099]
The temperature of the water vapor is preferably high, but the material that can withstand the high temperature water vapor is expensive. Therefore, it is desirable to control the water vapor temperature to 650 ° C. or less in order to manufacture an inexpensive apparatus. In addition, when high-temperature steam is introduced into the fuel gas mixture, there is a possibility that the ignition limit will be reached due to temperature rise. Introducing an inert gas such as water vapor at a constant temperature serves to reduce the concentration limit range of ignition, but this is not the case when heating is involved. For this reason, it is necessary to determine the steam superheating temperature in consideration of various factors such as the fuel composition, the heating temperature, and the amount of introduced steam. As can be seen from the above, the desired fuel mixture gas preheating temperature is lower than the desired steam superheat temperature, and when the
[0100]
The steam and oxygen-containing gas and fuel charged into the
[0101]
On the other hand, the hydrogen-rich gas exiting the
[0102]
The fuel cell cooling medium heated by the hydrogen-
[0103]
Although the CO concentration at the outlet of the
[0104]
In general, many low temperature carbon monoxide conversion catalysts are poisoned with S as seen in the above Cu-ZnO-based catalysts. Therefore, the
[0105]
The hydrogen-rich gas that has passed through the low-temperature
[0106]
This selective oxidation
[0107]
The selective oxidation
[0108]
After about 80% of the hydrogen rich gas hydrogen is used in the electrochemical reaction at the
[0109]
The high-temperature gas generated by the combustion is introduced into the
[0110]
[Function and effect]
Regarding the first embodiment having the above configuration, the temperature and efficiency were estimated under the following conditions.
[0111]
(1) Fuel: Pure methane (2) Gas containing oxygen: Air (3) Water vapor / methane: 3.0
(4) Methane / air: 0.47 (5) Temperature of water, air and methane: 20 ° C
(6) Steam overheating temperature: 650 ° C. (7) Fuel gas preheating temperature: 400 ° C.
(8) Fuel electrode hydrogen utilization rate: 80% (9) Heat dissipation loss: None
As a result, the production efficiency of hydrogen reached 72% with HHV. Further, the temperature of the fuel mixed gas after the steam mixing was 500 ° C., 47% of methane / air and 49% of steam as an inert gas were introduced. The outlet temperature of the
[0112]
As for the temperature of each device, the temperature of the combustion gas from the
[0113]
Next, with respect to the
[0114]
As described above, according to the first embodiment, the combustible gas contained in the exhaust gas of the
[0115]
In the first embodiment, since the
[0116]
(2) Second embodiment
[Constitution]
Next, a second embodiment according to
[0117]
The second embodiment is characterized in that a hydrogen-
[0118]
[Function and effect]
According to the second embodiment, the piping between the
[0119]
(3) Third embodiment
[Constitution]
The configuration of the third embodiment is shown in FIG. The third embodiment corresponds to claim 3 and is characterized in that a
[0120]
[Function and effect]
In the second embodiment, the heat radiation loss in the
[0121]
(4) Fourth embodiment
[Constitution]
FIG. 4 shows a fourth embodiment according to the fourth aspect. In the fourth embodiment, an improvement is added to the third embodiment, and a
[0122]
[Function and effect]
As is clear from the estimation in the first embodiment, the temperature of the combustion gas in the
[0123]
In the fourth embodiment, the
[0124]
(5) Fifth embodiment
[Constitution]
A fifth embodiment according to
[0125]
[Function and effect]
In the fifth embodiment as described above, it is possible to further increase the compactness of the apparatus by integrating the hydrogen
[0126]
(6) Sixth embodiment
[Constitution]
The sixth embodiment is related to claim 6 and, as shown in FIG. 6, the
[0127]
[Function and effect]
The operating temperature of the
[0128]
In the sixth embodiment, by integrating the
[0129]
(7) Seventh embodiment
[Constitution]
The seventh embodiment corresponds to claim 7, and FIG. 7 is a configuration diagram of the seventh embodiment. In FIG. 7, the
[0130]
The feature of the seventh embodiment is as follows. That is, an
[0131]
In the
[0132]
The combustion gas temperature of the
[0133]
A
[0134]
When the apparatus is activated, the
[0135]
Further, the combustion gas from the
[0136]
In addition, the catalyst layer of the selective oxidation
[0137]
[Function and effect]
The operational effects of the seventh embodiment having the above-described configuration are as follows. That is, the combustion gas of the combustion
[0138]
The temperature of the combustion gas of the starting
[0139]
On the other hand, since the
[0140]
Further, in the seventh embodiment, the fuel cell 1 fuel electrode such as the reforming
[0141]
(8) Eighth embodiment
[Constitution]
An eighth embodiment according to claims 8 and 9 will be described with reference to FIG. The eighth embodiment is characterized in that, in the seventh embodiment (corresponding to the invention of claim 7), there is provided a mechanism for switching the flow path of the starting
[0142]
That is, a
[0143]
[Open / close stop valve]
When the apparatus is started, the
[0144]
When the temperature increase of all of the fuel
[0145]
Many devices installed between the
[0146]
On the other hand, the temperature of the
[0147]
During operation, all these
[0148]
However, even if heating of the device between the fuel cell cooling
[0149]
[Function and effect]
In the eighth embodiment, the above-described mechanism and control make it possible to raise the temperature of each device of the fuel cell power generation device to a predetermined temperature almost in synchronization, and to prevent excessive temperature rise. Further, since the combustion gas flow path can be switched by opening and closing the stop valve, the combustion gas flow path of the
[0150]
(9) Ninth embodiment
[Constitution]
A ninth embodiment according to
[0151]
[Open / close stop valve]
When the apparatus is activated, the
[0152]
When the temperature of the fuel cell cooling
[0153]
On the other hand, while the temperature of the
[0154]
During operation, all these
[0155]
However, even if heating of the device between the fuel cell cooling
[0156]
[Function and effect]
In the ninth embodiment described above, by the mechanism and control described above, each device of the fuel cell power generation device can be substantially synchronized to raise the temperature to a predetermined temperature and to prevent excessive temperature rise. Further, since the combustion gas flow path can be switched, the combustion gas flow path of the
[0157]
(10) Tenth embodiment
[Constitution]
A tenth embodiment according to claim 12 will be described with reference to FIG. The tenth embodiment is a modification of the seventh embodiment (corresponding to the invention of claim 7). The selective oxidation
[0158]
In the tenth embodiment, the
[0159]
The catalyst layer of the selective oxidation
[0160]
[Function and effect]
According to the tenth embodiment as described above, it is possible to construct a simpler and more effective fuel cell power generation device by raising the temperature of each device of the fuel cell power generation device to a predetermined temperature substantially in synchronization. It has become possible.
[0161]
The lengths of the seventh embodiment (corresponding to the invention of claim 7) and the tenth embodiment (corresponding to the invention of claim 12) are the target operating temperatures of the selective oxidation
[0162]
(11) Eleventh embodiment
[Constitution]
The eleventh embodiment shown in FIG. 11 corresponds to
[0163]
[Open / close stop valve]
When the apparatus is activated, the
[0164]
When the temperature of all of the fuel cell cooling
[0165]
On the other hand, when the temperature of the
[0166]
During operation, both
[0167]
[Function and effect]
In the eleventh embodiment, each device of the fuel cell power generation device is substantially tuned to a predetermined temperature by the mechanism and control as described above, and more easily and effectively while preventing excessive temperature rise. It became possible to construct a simple fuel cell power generator.
[0168]
(12) Twelfth embodiment
[Constitution]
The twelfth embodiment corresponds to the fifteenth aspect, and FIG. 12 shows a configuration diagram of the twelfth embodiment. Until now, from the seventh embodiment to the eleventh embodiment, the
[0169]
Therefore, in the twelfth embodiment according to the invention of claim 15, after the
[0170]
The
[0171]
The catalyst layer of the selective oxidation
[0172]
[Function and effect]
In the above twelfth embodiment, the start-up burner is used only for heating the fuel cell cooling
[0173]
Note that whether to employ the invention of claim 7 or claim 12 or the invention of claim 15 depends on the scale of the apparatus. The invention of claim 7 or claim 12 is advantageous if the apparatus scale is large, and the invention of claim 15 is more effective if the apparatus scale is small.
[0174]
(13) Thirteenth embodiment
[Constitution]
A thirteenth embodiment corresponding to
[0175]
[Open / close stop valve]
When the apparatus is activated, the
[0176]
During operation, the
[0177]
[Function and effect]
In the thirteenth embodiment, with the mechanism and control as described above, each device of the fuel cell power generation apparatus is substantially tuned to increase the temperature to a predetermined temperature, and while preventing excessive temperature increase, it is simpler and more effective. A fuel cell power generator can be constructed.
[0178]
(14) Fourteenth embodiment
[Constitution]
FIG. 14 shows a fourteenth embodiment according to the eighteenth aspect. The fourteenth embodiment is a modification of the first embodiment according to the invention of claim 1, and the
[0179]
[Function and effect]
Regarding the fourteenth embodiment having the above-described configuration, the temperature and efficiency were estimated under the following conditions.
[0180]
(1) Fuel: Pure methane (2) Gas containing oxygen: Air (3) Water vapor / methane: 3.0
(4) Methane / air: 0.50 (5) Water, air, methane temperature: 20 ° C
(6) Fuel mixture gas superheat temperature: 450 ° C (7) Fuel electrode hydrogen utilization rate: 80%
▲ 8 ▼ Heat dissipation loss: None
As a result, the hydrogen generation efficiency was slightly over 70% in HHV, which was not significantly different from the estimate in the first embodiment. In the fourteenth embodiment, the fuel is not only mixed with air, but is heated in the fuel mixed
[0181]
(15) Fifteenth embodiment
[Constitution]
Next, a fifteenth embodiment according to claim 19 is described with reference to FIG. The fifteenth embodiment is characterized in that a hydrogen-
[0182]
[Function and effect]
According to the nineteenth embodiment, the piping between the
[0183]
(16) Sixteenth embodiment
[Constitution]
The configuration of the sixteenth embodiment is shown in FIG. The sixteenth embodiment corresponds to claim 20 and is characterized in that a fuel
[0184]
[Function and effect]
In the sixteenth embodiment, the
[0185]
(17) Seventeenth embodiment
[Constitution]
A seventeenth embodiment according to the twenty-first aspect will be described with reference to FIG. In the twenty-first embodiment, as in the fifth embodiment, a hydrogen
[0186]
[Function and effect]
In the seventeenth embodiment, it is possible to further increase the compactness of the apparatus by integrating the hydrogen
[0187]
(18) Eighteenth embodiment
[Constitution]
The eighteenth embodiment shown in FIG. 18 is related to claim 22, and the position of the
[0188]
[Function and effect]
In the eighteenth embodiment, by integrating the
[0189]
(19) Nineteenth embodiment
[Constitution]
The nineteenth embodiment corresponds to the twenty-third aspect, and FIG. 19 is a configuration diagram of the nineteenth embodiment. As in the seventh embodiment, the nineteenth embodiment includes an
[0190]
The combustion gas of the
[0191]
A
[0192]
When the apparatus is activated, the
[0193]
Further, the combustion gas from the
[0194]
In addition, the catalyst layer of the selective oxidation
[0195]
[Function and effect]
The operational effects of the nineteenth embodiment having the above-described configuration are as follows. That is, the combustion gas of the combustion
[0196]
By adopting such a flow path configuration, the fuel cell cooling
[0197]
In the nineteenth embodiment, the fuel cell 1 fuel electrode such as the reforming
[0198]
(20) 20th embodiment
[Constitution]
A twentieth embodiment according to claims 24 and 25 will be described with reference to FIG. The twentieth embodiment is characterized in that, in the nineteenth embodiment (corresponding to the invention of claim 23), there is provided a mechanism for switching the flow path of the starting
[0199]
That is, as in the eighth embodiment, the
[0200]
[Open / close stop valve]
When the apparatus is started, the
[0201]
When the temperature increase of all of the fuel
[0202]
Many devices installed between the
[0203]
On the other hand, the temperature of the
[0204]
During operation, all these
[0205]
However, even if heating of the device between the fuel cell cooling
[0206]
[Function and effect]
In the twentieth embodiment, it is possible to raise the temperature of each device of the fuel cell power generation device to a predetermined temperature substantially in synchronization with the above mechanism and control, and to prevent excessive temperature rise. Further, since the combustion gas flow path can be switched by opening and closing the stop valve, the combustion gas flow path of the
[0207]
(21) Twenty-first embodiment
[Constitution]
A twenty-first embodiment according to claims 26 and 27 will be described with reference to FIG. The difference between the twenty-first embodiment and the twentieth embodiment is that in the twenty-first embodiment, there is a
[0208]
[Open / close stop valve]
When the apparatus is activated, the
[0209]
When the temperature of the fuel cell cooling
[0210]
On the other hand, while the temperature of the
[0211]
During operation, all these
[0212]
However, even if heating of the device between the fuel cell cooling
[0213]
[Function and effect]
In the twenty-first embodiment described above, each mechanism of the fuel cell power generation device can be substantially synchronized to raise the temperature to a predetermined temperature and prevent excessive temperature rise by the mechanism and control described above. Further, since the combustion gas flow path can be switched, the combustion gas flow path of the
[0214]
(22) Twenty-second embodiment
[Constitution]
A twenty-second embodiment according to the twenty-eighth aspect is described with reference to FIG. The twenty-second embodiment is a modification of the nineteenth embodiment (corresponding to the invention of claim 23). In the twenty-second embodiment, similarly to the tenth embodiment, the combustion gas flow path of the
[0215]
The catalyst layer of the selective oxidation
[0216]
[Function and effect]
According to the twenty-second embodiment as described above, it is possible to construct a simpler and more effective fuel cell power generation device by raising the temperature of each device of the fuel cell power generation device to a predetermined temperature substantially in synchronization. It has become possible.
[0217]
The advantages and disadvantages of the nineteenth embodiment (corresponding to the invention of claim 23) and the twenty-second embodiment (corresponding to the invention of claim 28) are the target operating temperatures of the selective oxidation
[0218]
(23) Twenty-third embodiment
[Constitution]
The twenty-third embodiment shown in FIG. 23 corresponds to claims 29 and 30, and in the twenty-second embodiment (corresponding to the invention of claim 28), the
[0219]
[Open / close stop valve]
When the apparatus is activated, the
[0220]
When the temperature of all of the fuel cell cooling
[0221]
On the other hand, when the temperature of the
[0222]
During operation, both
[0223]
[Function and effect]
In the twenty-third embodiment, with the mechanism and control as described above, each device of the fuel cell power generation device is almost synchronized and heated to a predetermined temperature, and while preventing excessive temperature rise, it is simpler and more effective. It became possible to construct a simple fuel cell power generator.
[0224]
(24) Twenty-fourth embodiment
[Constitution]
The twenty-fourth embodiment corresponds to the thirty-first aspect, and FIG. 24 shows a configuration diagram of the twenty-fourth embodiment. In the twenty-fourth embodiment, after the
[0225]
The
[0226]
The catalyst layer of the selective oxidation
[0227]
[Function and effect]
In the twenty-fourth embodiment described above, the start-up burner is used only for heating the fuel cell cooling
[0228]
Note that whether to adopt the invention of claim 23 or claim 28 or the invention of
[0229]
(25) Twenty-fifth embodiment
[Constitution]
A twenty-fifth embodiment corresponding to
[0230]
[Open / close stop valve]
When the apparatus is activated, the
[0231]
During operation, the
[0232]
[Function and effect]
In the twenty-fifth embodiment, with the mechanism and control as described above, each device of the fuel cell power generation apparatus is substantially tuned to increase the temperature to a predetermined temperature, and while preventing excessive temperature increase, it is simpler and more effective. A fuel cell power generator can be constructed.
[0233]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a high-efficiency polymer electrolyte fuel cell power generator capable of starting in a short time from a stopped state and effectively recovering exhaust heat while being compact and having a simple device configuration. And an operation method thereof.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram of a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a configuration diagram of an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a configuration diagram of a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a configuration diagram of a thirteenth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a configuration diagram of a fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a configuration diagram of a fifteenth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a configuration diagram of a sixteenth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a configuration diagram of a seventeenth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a configuration diagram of an eighteenth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a configuration diagram of a nineteenth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a configuration diagram of a twentieth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a configuration diagram of a twenty-first embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a configuration diagram of a twenty-second embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a configuration diagram of a twenty-third embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a configuration diagram of a twenty-fourth embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a configuration diagram of a twenty-fifth embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a configuration diagram of a conventional polymer electrolyte fuel cell power generator.
[Explanation of symbols]
1: Fuel cell
11: Fuel electrode
12: Oxidizer electrode
13: Cooling device
131: Fuel cell cooling medium path
132: Cooling medium circulation pump
133: Fuel processing system coolant circulation path
134: Fuel cell cooling medium cooler
135: Fuel cell cooling medium heater
2: Reformer
21: Reforming catalyst layer
22: Hydrogen rich gas cooler
3: Carbon monoxide transformer
31: Low temperature carbon monoxide transformer
32: Selective oxidation type carbon monoxide remover
33: Desulfurizer
4: Exhaust gas burner
5: Water condenser
61: Water evaporator
62: Steam superheater
63: Fuel mixed gas preheater
64: Fuel gas mixture superheater
70: Activation burner
71: First branch point
72: Second branch point
73: First confluence
74: Second confluence
75: First stop valve
76: Second stop valve
77: Third stop valve
78: Fourth stop valve
Claims (33)
改質器に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器と、
水蒸発器で発生した水蒸気を過熱する水蒸気過熱器と、
改質器に供給する燃料を酸素を含むガスと混合した状態で加熱する燃料混合ガス予熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーからの燃焼ガスが、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように燃焼ガス流路が形成されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。A fuel cell having a gas containing hydrogen and a solid polymer as an electrolyte and having an oxidant electrode and a fuel electrode, a fuel cell cooling medium path for circulating a cooling medium via the fuel cell, and a fuel in the fuel cell cooling medium path A fuel processing system cooling medium path that branches the fuel cell cooling medium from the upstream side of the battery and joins it to the fuel cell cooling medium path downstream of the fuel cell; a cooling medium circulation pump that circulates the cooling medium in the fuel cell cooling medium path; A fuel cell cooling medium cooler that removes heat from these cooling media and adjusts the temperature of the cooling medium, and a reforming catalyst layer installed upstream of the fuel cell fuel electrode, in which carbon atoms and hydrogen atoms are removed. Installed in the downstream of the reformer of the hydrogen rich gas flow path, and the reformer for reforming the gas mixture containing at least one fuel in the molecule and the gas containing oxygen and water vapor to hydrogen rich gas Low-temperature carbon monoxide conversion having a low-temperature carbon monoxide conversion catalyst layer installed downstream of the hydrogen-rich gas cooler and a hydrogen-rich gas cooler that exchanges heat between the hydrogen-rich gas and the fuel cell coolant flowing through the fuel treatment system coolant path A desulfurizer that is installed upstream of the low-temperature carbon monoxide converter and has an absorbent layer that absorbs sulfur in fuel or hydrogen-rich gas, and is installed downstream of the low-temperature carbon monoxide converter. Mix one or more selective oxidation carbon monoxide removers with an oxidized carbon monoxide removal catalyst layer and all or part of the exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell and all or part of the exhaust gas from the oxidizer electrode A solid polymer type fuel comprising an exhaust gas burner that burns and a water condenser that condenses water from a mixed gas of the exhaust gas of the exhaust gas burner and the exhaust gas of the oxidizer electrode In cell power plant,
A water evaporator for generating water vapor to be supplied to the reformer;
A steam superheater that superheats the steam generated in the water evaporator;
A fuel mixed gas preheater for heating the fuel supplied to the reformer in a state of being mixed with a gas containing oxygen;
Solid polymer fuel characterized in that a combustion gas flow path is formed so that the combustion gas from the exhaust gas burner passes in the order of a steam superheater, a fuel mixture gas preheater, a water evaporator, and a water condenser Battery power generator.
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第1の合流点が形成され、
燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第2の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第1の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第2の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする請求項1、2、3、4、5または6記載の固体高分子型燃料電池発電装置。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A first junction is formed between the exhaust gas burner and the steam superheater, where the combustion gas from the startup burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
A branch point is formed between the fuel gas mixture preheater and the water evaporator to separate the combustion gas,
A second merge point where the combustion gas merges is formed downstream of the branch point,
When the device is started, the start burner operates to generate combustion gas. After this combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the first junction. The combustion gas that has passed through the steam superheater and the fuel gas mixture preheater in this order and branched at the branch point is the fuel cell cooling medium heater, the absorber layer of the desulfurizer, the low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, and the selective oxidation. After passing through the order of the carbon monoxide removal catalyst layer, the combustion gas from the remaining startup burner is joined again at the second junction, and the startup burner combustion gas passes through the water evaporator and the water condenser in this order. Composed of
In addition, in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, the path through which the startup burner combustion gas flows is independent of the path through which the hydrogen rich gas flows. 7. The polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6.
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第1の合流点が形成され、
燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第2の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第1の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第2の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
起動バーナーと第1の合流点の間に第1止め弁が設けられ、分岐点と燃料電池冷却媒体加熱器の間に第2止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第2の合流点の間に第3止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ水蒸発器温度、燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が開き、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかの温度が予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第1止め弁が開いて第2止め弁及び第3止め弁が閉じ、
第2止め弁及び第3止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第1止め弁のみが閉じ、
第2止め弁及び第3止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第1止め弁が閉じて運転状態に移行し、
運転時には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が閉じ、
停止時には第1止め弁が閉じて第2止め弁及び第3止め弁が開くことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A first junction is formed between the exhaust gas burner and the steam superheater, where the combustion gas from the startup burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
A branch point is formed between the fuel gas mixture preheater and the water evaporator to separate the combustion gas,
A second merge point where the combustion gas merges is formed downstream of the branch point,
When the device is started, the start burner operates to generate combustion gas. After this combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the first junction. The combustion gas that has passed through the steam superheater and the fuel gas mixture preheater in this order and branched at the branch point is the fuel cell cooling medium heater, the absorber layer of the desulfurizer, the low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, and the selective oxidation. After passing through the order of the carbon monoxide removal catalyst layer, the combustion gas from the remaining startup burner is joined again at the second junction, and the startup burner combustion gas passes through the water evaporator and the water condenser in this order. Composed of
In addition, in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, the path through which the startup burner combustion gas flows is independent of the path through which the hydrogen rich gas flows. Installed,
A first stop valve is provided between the start burner and the first junction, a second stop valve is provided between the branch point and the fuel cell coolant heater, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer and the first stop valve are provided. In the operation method of the polymer electrolyte fuel cell power generator in which the third stop valve is provided between the two junctions,
Target at which at least one of water evaporator temperature, fuel cell cooling medium heater temperature, desulfurizer temperature, low temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature is set in advance at the time of starting the apparatus The first stop valve, the second stop valve, and the third stop valve are opened when none of the temperatures reaches the preset maximum temperature limit,
Whether the fuel cell cooling medium heater temperature, desulfurizer temperature, low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, and selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature all exceeded the preset target temperature at the time of startup Alternatively, when one of the temperatures reaches a preset maximum limit temperature and the water evaporator temperature does not reach the preset target temperature, the first stop valve is opened and the second stop valve and the third stop valve are opened. Close,
When the water evaporator temperature reaches a preset maximum limit temperature with the second stop valve and the third stop valve open, only the first stop valve is closed,
When the water evaporator temperature reaches a preset target temperature with the second stop valve and the third stop valve closed, the first stop valve is closed and the operation state is shifted.
During operation, the first stop valve, the second stop valve and the third stop valve are closed,
A method of operating a polymer electrolyte fuel cell power generator, wherein the first stop valve is closed and the second stop valve and the third stop valve are opened when the engine is stopped.
第2の分岐点には外気に開放される配管が接続され、
この配管に第4止め弁が設けられたことを特徴とする請求項8記載の固体高分子型燃料電池発電装置。A second branch point is formed at any point in the flow path between the second stop valve and the third stop valve;
A pipe that is open to the outside air is connected to the second branch point,
9. The polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 8, wherein a fourth stop valve is provided in the pipe.
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第1の合流点が形成され、
燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第2の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第1の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第2の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
起動バーナーと第1の合流点の間に第1止め弁が設けられ、分岐点と燃料電池冷却媒体加熱器の間に第2止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第2の合流点の間に第3止め弁が設けられ、
さらに、第2止め弁と第3止め弁の間の流路のいずれかの箇所に第2の分岐点が形成され、
第2の分岐点には外気に開放される配管が接続され、
この配管に第4止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が開いて第4止め弁が閉じ、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第2止め弁及び第3止め弁が閉じて第1止め弁及び第4止め弁が開き、
第2止め弁及び第3止め弁が開いて第4止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第1止め弁のみが閉じ、
第2止め弁及び第3止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第1止め弁が閉じて第4止め弁が開いて運転状態に移行し、
運転時には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が閉じて第4止め弁が開き、
装置停止時には第2止め弁または第3止め弁の少なくとも一方と第4止め弁が開くことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A first junction is formed between the exhaust gas burner and the steam superheater, where the combustion gas from the startup burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
A branch point is formed between the fuel gas mixture preheater and the water evaporator to separate the combustion gas,
A second merge point where the combustion gas merges is formed downstream of the branch point,
When the device is started, the start burner operates to generate combustion gas. After this combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the first junction. The combustion gas that has passed through the steam superheater and the fuel gas mixture preheater in this order and branched at the branch point is the fuel cell cooling medium heater, the absorber layer of the desulfurizer, the low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, and the selective oxidation. After passing through the order of the carbon monoxide removal catalyst layer, the combustion gas from the remaining startup burner is joined again at the second junction, and the startup burner combustion gas passes through the water evaporator and the water condenser in this order. Composed of
In addition, in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, the path through which the startup burner combustion gas flows is independent of the path through which the hydrogen rich gas flows. Installed,
A first stop valve is provided between the start burner and the first junction, a second stop valve is provided between the branch point and the fuel cell coolant heater, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer and the first stop valve are provided. A third stop valve is provided between the two junctions;
Furthermore, a second branch point is formed at any location in the flow path between the second stop valve and the third stop valve,
A pipe that is open to the outside air is connected to the second branch point,
In the operation method of the polymer electrolyte fuel cell power generator in which the fourth stop valve is provided in the pipe,
At the time of starting the apparatus, at least one of the fuel cell coolant heating temperature, the desulfurizer temperature, the low-temperature carbon monoxide conversion catalyst layer temperature, and the selective oxidation type carbon monoxide removal catalyst layer temperature does not reach a preset target temperature and If none of the temperatures reaches the preset maximum limit temperature, the first stop valve, the second stop valve and the third stop valve are opened and the fourth stop valve is closed,
Whether the fuel cell cooling medium heater temperature, desulfurizer temperature, low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, and selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature all exceeded the preset target temperature at the time of startup Alternatively, when either reaches the preset maximum limit temperature and the water evaporator temperature does not reach the preset target temperature, the second stop valve and the third stop valve are closed and the first stop valve and the fourth stop valve are closed. The stop valve opens,
When the water evaporator temperature reaches a preset maximum limit temperature with the second stop valve and the third stop valve open and the fourth stop valve closed, only the first stop valve is closed,
When the water evaporator temperature reaches a preset target temperature with the second stop valve and the third stop valve closed, the first stop valve is closed and the fourth stop valve is opened to shift to the operating state.
During operation, the first stop valve, the second stop valve and the third stop valve are closed and the fourth stop valve is opened,
A method for operating a polymer electrolyte fuel cell power generator, wherein at least one of the second stop valve and the third stop valve and the fourth stop valve are opened when the apparatus is stopped.
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする請求項1、2、3、4、5または6記載の固体高分子型燃料電池発電装置。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A junction is formed between the exhaust gas burner and the steam superheater, where the combustion gas from the startup burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
A branch point is formed between the fuel gas mixture preheater and the water evaporator to separate the combustion gas,
When the device is started, the start burner operates to generate combustion gas. After this combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the junction, The combustion gas that passes through the superheater and the fuel gas mixture preheater in this order and branches at the branch point is the fuel cell coolant heater, the absorber layer of the desulfurizer, the low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, and the selective oxidation type monoxide. After passing through the order of the carbon removal catalyst layer, it exits into the atmosphere, and on the other hand, the combustion gas from the remaining startup burner branched at the branch point is further passed through the water evaporator and water condenser in this order. ,
In addition, in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, the path through which the startup burner combustion gas flows is independent of the path through which the hydrogen rich gas flows. 7. The polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6.
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
起動バーナーと合流点の間に第1止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第2止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第1止め弁及び第2止め弁が開き、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第1止め弁が開いて第2止め弁が閉じ、
第2止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第1止め弁のみが閉じ、
第2止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第1止め弁が閉じて運転状態に移行し、
運転時には第1止め弁及び第2止め弁が閉じることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A junction is formed between the exhaust gas burner and the steam superheater, where the combustion gas from the startup burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
A branch point is formed between the fuel gas mixture preheater and the water evaporator to separate the combustion gas,
When the device is started, the start burner operates to generate combustion gas. After this combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the junction, The combustion gas that passes through the superheater and the fuel gas mixture preheater in this order and branches at the branch point is the fuel cell coolant heater, the absorber layer of the desulfurizer, the low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, and the selective oxidation type monoxide. After passing through the order of the carbon removal catalyst layer, it exits into the atmosphere, and on the other hand, the combustion gas from the remaining startup burner branched at the branch point is further passed through the water evaporator and water condenser in this order. ,
In addition, in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, the path through which the startup burner combustion gas flows is independent of the path through which the hydrogen rich gas flows. Installed,
In the operation method of the polymer electrolyte fuel cell power generator in which the first stop valve is provided between the start burner and the junction, and the second stop valve is provided between the branch point and the desulfurizer absorbent layer,
At the time of start-up of the apparatus, at least one of the fuel cell cooling medium heater temperature, the desulfurizer temperature, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer temperature, and the selective oxidation type carbon monoxide removal catalyst layer temperature does not reach a preset target temperature and If neither temperature reaches the preset maximum temperature limit, the first stop valve and the second stop valve are opened,
The temperature of the fuel cell cooling medium heater, the temperature of the desulfurizer, the low temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature all reached or exceeded the preset target temperature when the device was started. Or if either reaches a preset maximum temperature limit and the water evaporator temperature does not reach a preset target temperature, the first stop valve opens and the second stop valve closes,
If the water evaporator temperature reaches a preset maximum limit temperature with the second stop valve open, only the first stop valve is closed,
When the water evaporator temperature reaches a preset target temperature with the second stop valve closed, the first stop valve closes and the operation state shifts.
A method for operating a polymer electrolyte fuel cell power generator, wherein the first stop valve and the second stop valve are closed during operation.
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成されたことを特徴とする請求項1、2、3、4、5または6記載の固体高分子型燃料電池発電装置。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A junction is formed between the exhaust gas burner and the steam superheater, where the combustion gas from the startup burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
When the device is started, the start burner operates to generate combustion gas. After this combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the junction, The superheater, the fuel gas mixture preheater, the water evaporator, the fuel cell cooling medium heater, and the water condenser are configured to pass through in this order. The polymer electrolyte fuel cell power generator described in the paragraph.
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
起動バーナーと合流点の間に止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時の水蒸発器温度が予め設定された目標温度に未達であれば止め弁が開き、
止め弁が開いた状態で燃料電池冷却媒体加熱器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には、燃料電池冷却媒体冷却器が運転されて温度制御を行い、
水蒸発器温度が予め設定された目標温度に達したら止め弁が閉じて運転状態に移行し、
運転時には止め弁が閉じ、
かつ装置起動時には脱硫器、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の温度がそれぞれ個別に電力によって加熱されることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A junction is formed between the exhaust gas burner and the steam superheater, where the combustion gas from the startup burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
When the device is started, the start burner operates to generate combustion gas. After this combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the junction, It is configured to pass through a superheater, a fuel gas mixture preheater, a water evaporator, a fuel cell cooling medium heater, and a water condenser in this order.
In the operation method of the polymer electrolyte fuel cell power generator in which a stop valve is provided between the start burner and the junction,
If the water evaporator temperature at the time of starting the device does not reach the preset target temperature, the stop valve opens,
When the fuel cell coolant heating device temperature reaches a preset maximum limit temperature with the stop valve open, the fuel cell coolant cooling device is operated to control the temperature,
When the water evaporator temperature reaches the preset target temperature, the stop valve is closed and the operation state is shifted.
During operation, the stop valve closes,
The operation of the solid polymer fuel cell power generator is characterized in that the temperature of the desulfurizer, the low-temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer is individually heated by electric power when the apparatus is started. Method.
改質器に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器と、
酸素を含むガスと燃料と水蒸発器で発生した水蒸気との混合ガスを過熱する燃料混合ガス過熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーからの燃焼ガスが、燃料混合ガス過熱器、水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように燃焼ガス流路が形成されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。A fuel cell having a gas containing hydrogen and a solid polymer as an electrolyte and having an oxidant electrode and a fuel electrode, a fuel cell cooling medium path for circulating a cooling medium via the fuel cell, and a fuel in the fuel cell cooling medium path A fuel processing system cooling medium path that branches the fuel cell cooling medium from the upstream side of the battery and joins it to the fuel cell cooling medium path downstream of the fuel cell; a cooling medium circulation pump that circulates the cooling medium in the fuel cell cooling medium path; A fuel cell cooling medium cooler that removes heat from these cooling media and adjusts the temperature of the cooling medium, and a reforming catalyst layer installed upstream of the fuel cell fuel electrode, in which carbon atoms and hydrogen atoms are removed. Installed in the downstream of the reformer of the hydrogen rich gas flow path, and the reformer for reforming the gas mixture containing at least one fuel in the molecule and the gas containing oxygen and water vapor to hydrogen rich gas Low-temperature carbon monoxide conversion having a low-temperature carbon monoxide conversion catalyst layer installed downstream of the hydrogen-rich gas cooler and a hydrogen-rich gas cooler that exchanges heat between the hydrogen-rich gas and the fuel cell coolant flowing through the fuel treatment system coolant path A desulfurizer that is installed upstream of the low-temperature carbon monoxide converter and has an absorbent layer that absorbs sulfur in fuel or hydrogen-rich gas, and is installed downstream of the low-temperature carbon monoxide converter. Mix one or more selective oxidation carbon monoxide removers with an oxidized carbon monoxide removal catalyst layer and all or part of the exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell and all or part of the exhaust gas from the oxidizer electrode A solid polymer type fuel comprising an exhaust gas burner that burns and a water condenser that condenses water from a mixed gas of the exhaust gas of the exhaust gas burner and the exhaust gas of the oxidizer electrode In cell power plant,
A water evaporator for generating water vapor to be supplied to the reformer;
A fuel mixed gas superheater for superheating a mixed gas of oxygen-containing gas, fuel, and water vapor generated in the water evaporator;
A solid polymer fuel cell power generator characterized in that a combustion gas passage is formed so that combustion gas from an exhaust gas burner passes through a fuel gas mixture superheater, a water evaporator, and a water condenser in this order.
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第1の合流点が形成され、
燃料混合ガス過熱器の下流に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第2の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第1の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、次いで燃料混合ガス過熱器を通過した後、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過し、第2の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器を通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする請求項18、19、20、21、または22記載の固体高分子型燃料電池発電装置。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A first junction is formed between the exhaust gas burner and the fuel gas mixture superheater, where the combustion gas from the startup burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
A branch point where combustion gas is divided is formed downstream of the fuel gas mixture superheater,
A second merge point where the combustion gas merges is formed downstream of the branch point,
When the device is started, the start burner operates to generate combustion gas. After this combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the first junction. Then, after passing through the fuel gas mixture superheater, the combustion gas branched at the branch point is the fuel cell cooling medium heater, the absorber layer of the desulfurizer, the low temperature carbon monoxide shift catalyst layer, the selective oxidation type monoxide It passes through the order of the carbon removal catalyst layer, is joined again to the combustion gas from the remaining startup burner at the second junction, and further configured to pass the startup burner combustion gas through the water evaporator,
In addition, in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, the path through which the startup burner combustion gas flows is independent of the path through which the hydrogen rich gas flows. 23. The polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 18, 19, 20, 21, or 22.
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第1の合流点が形成され、
燃料混合ガス過熱器の下流に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第2の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第1の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、次いで燃料混合ガス過熱器を通過した後、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過し、第2の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器を通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
改質器の改質触媒層と第1の合流点の間に第1止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第2止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第2の合流点の間に第3止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ水蒸発器温度、燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が開き、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかの温度が予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第1止め弁が開いて第2止め弁及び第3止め弁が閉じ、
第2止め弁及び第3止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第1止め弁のみが閉じ、
第2止め弁及び第3止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第1止め弁が閉じて運転状態に移行し、
運転時には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が閉じ、
停止時には第1止め弁が閉じて第2止め弁及び第3止め弁が開くことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A first junction is formed between the exhaust gas burner and the fuel gas mixture superheater, where the combustion gas from the startup burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
A branch point where combustion gas is divided is formed downstream of the fuel gas mixture superheater,
A second merge point where the combustion gas merges is formed downstream of the branch point,
When the device is started, the start burner operates to generate combustion gas. After this combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the first junction. Then, after passing through the fuel gas mixture superheater, the combustion gas branched at the branch point is the fuel cell cooling medium heater, the absorber layer of the desulfurizer, the low temperature carbon monoxide shift catalyst layer, the selective oxidation type monoxide It passes through the order of the carbon removal catalyst layer, is joined again to the combustion gas from the remaining startup burner at the second junction, and further configured to pass the startup burner combustion gas through the water evaporator,
In addition, in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, the path through which the startup burner combustion gas flows is independent of the path through which the hydrogen rich gas flows. Installed,
A first stop valve is provided between the reforming catalyst layer of the reformer and the first merging point, and a second stop valve is provided between the branch point and the desulfurizer absorbent material layer, and selectively oxidized carbon monoxide. In the operation method of the polymer electrolyte fuel cell power generator in which the third stop valve is provided between the removal catalyst layer and the second junction,
Target at which at least one of water evaporator temperature, fuel cell cooling medium heater temperature, desulfurizer temperature, low temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature is set in advance at the time of starting the apparatus The first stop valve, the second stop valve, and the third stop valve are opened when none of the temperatures reaches the preset maximum temperature limit,
Whether the fuel cell cooling medium heater temperature, desulfurizer temperature, low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, and selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature all exceeded the preset target temperature at the time of startup Alternatively, when one of the temperatures reaches a preset maximum limit temperature and the water evaporator temperature does not reach the preset target temperature, the first stop valve is opened and the second stop valve and the third stop valve are opened. Close,
When the water evaporator temperature reaches a preset maximum limit temperature with the second stop valve and the third stop valve open, only the first stop valve is closed,
When the water evaporator temperature reaches a preset target temperature with the second stop valve and the third stop valve closed, the first stop valve is closed and the operation state is shifted.
During operation, the first stop valve, the second stop valve and the third stop valve are closed,
A method of operating a polymer electrolyte fuel cell power generator, wherein the first stop valve is closed and the second stop valve and the third stop valve are opened when the engine is stopped.
第2の分岐点には外気に開放される配管が接続され、
この配管に第4止め弁が設けられたことを特徴とする請求項24記載の固体高分子型燃料電池発電装置。A second branch point is formed at any point in the flow path between the second stop valve and the third stop valve;
A pipe that is open to the outside air is connected to the second branch point,
25. The polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 24, wherein a fourth stop valve is provided in the pipe.
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第1の合流点が形成され、
燃料混合ガス過熱器の下流に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第2の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第1の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、次いで燃料混合ガス過熱器を通過した後、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過し、第2の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器を通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
改質器の改質触媒層と第1の合流点の間に第1止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第2止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第2の合流点の間に第3止め弁が設けられ、
第2止め弁と第3止め弁の間の流路のいずれかの箇所に第2の分岐点が形成され、
第2の分岐点には外気に開放される配管が接続され、
この配管に第4止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が開いて第4止め弁が閉じ、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第2止め弁及び第3止め弁が閉じて第1止め弁及び第4止め弁が開き、
第2止め弁及び第3止め弁が開いて第4止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第1止め弁のみが閉じ、
第2止め弁及び第3止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第1止め弁が閉じて第4止め弁が開いて運転状態に移行し、
運転時には第1止め弁、第2止め弁及び第3止め弁が閉じて第4止め弁が開き、
装置停止時には第2止め弁または第3止め弁の少なくとも一方と第4止め弁が開くことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A first junction is formed between the exhaust gas burner and the fuel gas mixture superheater, where the combustion gas from the startup burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
A branch point where combustion gas is divided is formed downstream of the fuel gas mixture superheater,
A second merge point where the combustion gas merges is formed downstream of the branch point,
When the device is started, the start burner operates to generate combustion gas. After this combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the first junction. Then, after passing through the fuel gas mixture superheater, the combustion gas branched at the branch point is the fuel cell cooling medium heater, the absorber layer of the desulfurizer, the low temperature carbon monoxide shift catalyst layer, the selective oxidation type monoxide It passes through the order of the carbon removal catalyst layer, is joined again to the combustion gas from the remaining startup burner at the second junction, and further configured to pass the startup burner combustion gas through the water evaporator,
In addition, in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, the path through which the startup burner combustion gas flows is independent of the path through which the hydrogen rich gas flows. Installed,
A first stop valve is provided between the reforming catalyst layer of the reformer and the first merging point, and a second stop valve is provided between the branch point and the desulfurizer absorbent layer, and selectively oxidized carbon monoxide. A third stop valve is provided between the removal catalyst layer and the second junction,
A second branch point is formed at any point in the flow path between the second stop valve and the third stop valve;
A pipe that is open to the outside air is connected to the second branch point,
In the operation method of the polymer electrolyte fuel cell power generator in which the fourth stop valve is provided in the pipe,
At the time of starting the apparatus, at least one of the fuel cell cooling medium heater, the desulfurizer temperature, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature does not reach the preset target temperature, and If the temperature does not reach the preset maximum temperature limit, the first stop valve, the second stop valve and the third stop valve are opened and the fourth stop valve is closed,
Whether the fuel cell cooling medium heater temperature, desulfurizer temperature, low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, and selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature all exceeded the preset target temperature at the time of startup Alternatively, when either reaches the preset maximum limit temperature and the water evaporator temperature does not reach the preset target temperature, the second stop valve and the third stop valve are closed and the first stop valve and the fourth stop valve are closed. The stop valve opens,
When the water evaporator temperature reaches a preset maximum limit temperature with the second stop valve and the third stop valve open and the fourth stop valve closed, only the first stop valve is closed,
When the water evaporator temperature reaches a preset target temperature with the second stop valve and the third stop valve closed, the first stop valve is closed and the fourth stop valve is opened to shift to the operating state.
During operation, the first stop valve, the second stop valve and the third stop valve are closed and the fourth stop valve is opened,
A method for operating a polymer electrolyte fuel cell power generator, wherein at least one of the second stop valve and the third stop valve and the fourth stop valve are opened when the apparatus is stopped.
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
燃料混合ガス過熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入した後、燃料混合ガス過熱器を通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする請求項18、19、20、21、または22記載の固体高分子型燃料電池発電装置。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A junction is formed between the exhaust gas burner and the fuel gas mixture superheater where the combustion gas from the start burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
A branch point is formed between the fuel gas mixture superheater and the water evaporator, where the combustion gas is divided,
After the starter burner operates to generate combustion gas, the combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, and then flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the junction. Combustion gas that has passed through the fuel gas mixture superheater and branched at the branch point is a fuel cell coolant heater, a desulfurizer absorber layer, a low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, and a selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer. After passing in the order of, the combustion gas from the remaining start burner branched into the atmosphere at the branch point, further configured to pass in the order of the water evaporator, water condenser,
In addition, in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, the path through which the startup burner combustion gas flows is independent of the path through which the hydrogen rich gas flows. 23. The polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 18, 19, 20, 21, or 22.
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
燃料混合ガス過熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入した後、燃料混合ガス過熱器を通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
改質触媒層と合流点の間に第1止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第2止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達しない場合には第1止め弁及び第2止め弁が開き、
装置起動時でかつ脱硫器温度温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達した場合には第1止め弁が開いて第2止め弁が閉じ、
運転時には第1止め弁及び第2止め弁が閉じることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A junction is formed between the exhaust gas burner and the fuel gas mixture superheater where the combustion gas from the start burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
A branch point is formed between the fuel gas mixture superheater and the water evaporator, where the combustion gas is divided,
After the starter burner operates to generate combustion gas, the combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, and then flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the junction. Combustion gas that has passed through the fuel gas mixture superheater and branched at the branch point is a fuel cell coolant heater, a desulfurizer absorber layer, a low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer, and a selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer. After passing in the order of, the combustion gas from the remaining start burner branched into the atmosphere at the branch point, further configured to pass in the order of the water evaporator, water condenser,
In addition, in the reforming catalyst layer, the desulfurizer absorber layer, the low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer, the path through which the startup burner combustion gas flows is independent of the path through which the hydrogen rich gas flows. Installed,
In the operation method of the polymer electrolyte fuel cell power generator in which the first stop valve is provided between the reforming catalyst layer and the junction, and the second stop valve is provided between the branch point and the desulfurizer absorber layer,
When at least one of the desulfurizer temperature, the low-temperature carbon monoxide shift catalyst layer temperature, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature does not reach the preset target temperature at the time of starting the apparatus, the first stop valve and the second 2 Stop valve opens,
When the apparatus is started up and all of the desulfurizer temperature, low temperature carbon monoxide conversion catalyst layer temperature, and selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer temperature have reached or exceeded the preset target temperature, the first stop valve is Open and the second stop valve closes,
A method for operating a polymer electrolyte fuel cell power generator, wherein the first stop valve and the second stop valve are closed during operation.
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、燃料混合ガス過熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成されたことを特徴とする請求項18、19、20、21、または22記載の固体高分子型燃料電池発電装置。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A junction is formed between the exhaust gas burner and the fuel gas mixture superheater where the combustion gas from the start burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
When the device starts up, the start burner operates to generate combustion gas, which passes through the reforming catalyst layer of the reformer and flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the junction. The solid polymer according to claim 18, 19, 20, 21, or 22, wherein the polymer gas is configured to pass through a mixed gas superheater, a water evaporator, a fuel cell cooling medium heater, and a water condenser in this order. Type fuel cell power generator.
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、燃料混合ガス過熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
改質器の改質触媒層と合流点の間に止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時の水蒸発器温度が予め設定された目標温度に未達であれば止め弁が開き、
止め弁が開いた状態で燃料電池冷却媒体加熱器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には、燃料電池冷却媒体冷却器が運転されて温度制御を行い、
水蒸発器温度が予め設定された目標温度に達したら止め弁が閉じて運転状態に移行し、
運転時には止め弁が閉じ、
かつ装置起動時には脱硫器、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の温度がそれぞれ個別に電力によって加熱されることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。A starting burner that reacts a gas containing fuel and oxygen to generate combustion gas, and a fuel cell cooling medium heater that performs heat exchange between the cooling medium of the fuel cell and the gas body,
A junction is formed between the exhaust gas burner and the fuel gas mixture superheater where the combustion gas from the start burner joins the combustion gas flow path from the exhaust gas burner,
When the device is started, the start burner operates to generate combustion gas. After this combustion gas passes through the reforming catalyst layer of the reformer, it flows into the combustion gas flow path from the exhaust gas burner at the junction, and fuel It is configured to pass in the order of mixed gas superheater, water evaporator, fuel cell coolant heater, water condenser,
In the operation method of the polymer electrolyte fuel cell power generator in which a stop valve is provided between the reforming catalyst layer of the reformer and the junction,
If the water evaporator temperature at the time of starting the device does not reach the preset target temperature, the stop valve opens,
When the fuel cell coolant heating device temperature reaches a preset maximum limit temperature with the stop valve open, the fuel cell coolant cooling device is operated to control the temperature,
When the water evaporator temperature reaches the preset target temperature, the stop valve is closed and the operation state is shifted.
During operation, the stop valve closes,
The operation of the solid polymer fuel cell power generator is characterized in that the temperature of the desulfurizer, the low-temperature carbon monoxide conversion catalyst layer, and the selective oxidation carbon monoxide removal catalyst layer is individually heated by electric power when the apparatus is started. Method.
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