JP2013101822A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は水素を含む原燃料ガス(原料ガス)の硫黄含有成分を除去する水添脱硫装置を備えた燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system provided with a hydrodesulfurization device that removes sulfur-containing components of raw fuel gas (raw gas) containing hydrogen.
原燃料ガスとして炭化水素を用いる燃料電池システムでは、この原燃料ガスを改質するために、例えば水蒸気を用いた水蒸気改質が利用されている。この水蒸気改質を促進するために水蒸気改質触媒が用いられているが、原燃料ガス中には付臭剤または硫黄化合物が含まれており、これらによってこの水蒸気改質触媒が劣化させられるおそれがある。そこで、水蒸気改質触媒の劣化を防止するために、原燃料ガス中に含まれる付臭剤または硫黄化合物を低減させる脱硫装置が利用される。 In a fuel cell system using hydrocarbons as a raw fuel gas, for example, steam reforming using steam is used to reform the raw fuel gas. A steam reforming catalyst is used to promote the steam reforming. However, the raw fuel gas contains an odorant or a sulfur compound, which may deteriorate the steam reforming catalyst. There is. Therefore, in order to prevent deterioration of the steam reforming catalyst, a desulfurization apparatus that reduces the odorant or sulfur compound contained in the raw fuel gas is used.
このような脱硫装置としては、例えば、硫黄化合物を触媒(Ni−Mo系、Co−Mo系)上で水素と反応させて硫化水素に変換し、この硫化水素を酸化亜鉛に取り込んで除去する、いわゆる水添脱硫法により脱硫を行なう水添脱硫装置が挙げられる。 As such a desulfurization apparatus, for example, a sulfur compound is reacted with hydrogen on a catalyst (Ni-Mo system, Co-Mo system) to convert it into hydrogen sulfide, and the hydrogen sulfide is taken into zinc oxide and removed. Examples thereof include a hydrodesulfurization apparatus that performs desulfurization by a so-called hydrodesulfurization method.
水添脱硫装置は、水添脱硫法により脱硫を行なう際に水素が必要となるが、原燃料ガス中には通常、水素が含まれていない。このため、水素をどこからか水添脱流装置に供給する仕組みが必要となる。 The hydrodesulfurization apparatus requires hydrogen when desulfurization is performed by the hydrodesulfurization method, but the raw fuel gas usually does not contain hydrogen. For this reason, a mechanism for supplying hydrogen from somewhere to the hydrodesulfurization apparatus is required.
例えば、特許文献1では、図7に示すように、脱硫器104で脱硫した原燃料ガスの一部を、炭化水素改質触媒を設置した分岐戻し流路142を介してこの脱硫器104の上流側に戻す固体酸化型燃料電池システムが開示されている。図7は、従来技術に係る燃料電池の構成を示す図である。 For example, in Patent Document 1, as shown in FIG. 7, a part of the raw fuel gas desulfurized by the desulfurizer 104 is passed upstream of the desulfurizer 104 via a branch return passage 142 in which a hydrocarbon reforming catalyst is installed. A solid oxide fuel cell system returned to the side is disclosed. FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a fuel cell according to the prior art.
図7に示すように、特許文献1の固体酸化型燃料電池システムでは、混合器120で混合された水と原燃料ガスは、一部が分岐戻し流路142に導入される。そして、分岐戻し流路142の二重管144内の炭化水素改質触媒によって、炭化水素を改質して得た水素含有ガスを、昇圧器117の上流に戻す。これにより、脱硫器104に水素を供給し、原燃料ガスの水添脱硫を行う。 As shown in FIG. 7, in the solid oxide fuel cell system of Patent Document 1, a part of the water and raw fuel gas mixed in the mixer 120 is introduced into the branch return flow path 142. Then, the hydrogen-containing gas obtained by reforming the hydrocarbon is returned to the upstream side of the booster 117 by the hydrocarbon reforming catalyst in the double pipe 144 of the branch return channel 142. As a result, hydrogen is supplied to the desulfurizer 104 to hydrodesulfurize the raw fuel gas.
しかしながら、上述のような従来技術の燃料電池システムでは、安価で安定的に所望の硫黄濃度まで脱硫することができないという問題がある。 However, the conventional fuel cell system as described above has a problem that it cannot be desulfurized to a desired sulfur concentration stably at low cost.
より具体的には、従来技術の構成では、分岐戻し流路142内で水蒸気改質を行う場合、この分岐戻し流路142内で結露が発生することがある。このため、分岐戻し流路142では結露による水つまりに起因して、圧力損失が生じて分岐戻し流路142をガスが流れにくくなる。したがって、昇圧器117の上流に戻す水素含有ガスの流量が減少して、脱硫器104において所望の硫黄濃度まで脱硫できないという問題が生じる。また、稼動停止中には、脱硫器104または昇圧器117内においても結露が発生してしまうという問題がある。 More specifically, in the configuration of the prior art, when steam reforming is performed in the branch return flow path 142, dew condensation may occur in the branch return flow path 142. For this reason, in the branch return flow path 142, pressure loss occurs due to water clogging due to condensation, and the gas does not easily flow through the branch return flow path 142. Therefore, the flow rate of the hydrogen-containing gas returned to the upstream side of the booster 117 decreases, and there arises a problem that the desulfurizer 104 cannot desulfurize to a desired sulfur concentration. In addition, there is a problem that condensation occurs in the desulfurizer 104 or the booster 117 while the operation is stopped.
なお、結露を防止するためには、水凝縮熱交換器を分岐戻し流路142に設置し、強制的に水を回収する構成とすることで対応することができる。あるいは、分岐戻し流路142をヒータにより加熱し保温することで対応することができる。しかしながら、前者の構成とする場合、従来技術の構成において、水凝縮熱交換器と、回収した水を所望の場所まで導くための流路管とをさらに備える必要がある。このため、燃料電池システムの構成が複雑となりコストがかかる。また、後者の構成とする場合、ヒータ設置にかかる費用ならびにこのヒータの運転に必要な電力の費用がかかりコストアップとなる。 In addition, in order to prevent dew condensation, it can respond by installing a water condensation heat exchanger in the branch return flow path 142, and making it the structure which collects water compulsorily. Alternatively, this can be dealt with by heating the branch return channel 142 with a heater. However, in the case of the former configuration, in the configuration of the prior art, it is necessary to further include a water condensing heat exchanger and a flow channel pipe for guiding the recovered water to a desired location. For this reason, the configuration of the fuel cell system becomes complicated and expensive. Further, in the case of the latter configuration, the cost for installing the heater and the cost of electric power necessary for the operation of the heater are increased, resulting in an increase in cost.
また、分岐戻し流路142で部分酸化改質を行う場合は、分岐戻し流路142内の窒素濃度が徐々に上昇し、昇圧器117の上流に戻す水素含有ガス中の水素ガス流量が減少してしまう。このため、脱硫器104において所望の硫黄濃度まで脱硫できないという問題がある。 When partial oxidation reforming is performed in the branch return flow path 142, the nitrogen concentration in the branch return flow path 142 gradually increases, and the hydrogen gas flow rate in the hydrogen-containing gas returned upstream of the booster 117 decreases. End up. For this reason, there is a problem that the desulfurizer 104 cannot desulfurize to a desired sulfur concentration.
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価で安定的に所望の硫黄濃度まで脱硫器により水添脱流することができる燃料電池システムを実現することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to realize a fuel cell system that can be stably hydrogenated and desulfurized by a desulfurizer to a desired sulfur concentration at a low cost. is there.
本発明に係る燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、水素を含む原料ガスの硫黄成分を、水添脱硫により除去する第1脱硫器と、前記第1脱硫器により硫黄成分が除去された脱硫原料ガスを受け取り、該脱硫原料ガスを改質して燃料ガスを生成する第1改質器と、前記第1改質器で生成された前記燃料ガスを受け取り、該燃料ガスと外部から供給される空気とを発電反応させて発電する燃料電池と、原料ガスを部分酸化反応により部分的に改質して水素を含む部分改質原料ガスを生成し、この生成した部分改質原料ガスを前記水素を含む原料ガスとして前記第1脱硫器に供給する第2改質器と、を備える。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention removes a sulfur component of a raw material gas containing hydrogen by hydrodesulfurization, and the sulfur component is removed by the first desulfurizer. Receiving the desulfurized raw material gas, reforming the desulfurized raw material gas to generate a fuel gas, receiving the fuel gas generated by the first reformer, the fuel gas and the outside A fuel cell that generates electricity by causing a power generation reaction with air supplied from the fuel, and a partial reforming raw material gas containing hydrogen by partially reforming the raw material gas by a partial oxidation reaction, and the generated partial reforming raw material A second reformer that supplies gas to the first desulfurizer as a raw material gas containing hydrogen.
上記構成によると第1脱硫器を備えるため、硫黄成分を除去した原料ガスを第1改質器に供給することができる。このため、第1改質器に充填された改質触媒の活性が硫黄成分によって低下させられることを防ぐことができる。それゆえ、第1改質器により改質された原料ガスを燃料電池セルスタックの燃料極に安定して提供することができる。 According to the above configuration, since the first desulfurizer is provided, the raw material gas from which the sulfur component has been removed can be supplied to the first reformer. For this reason, it is possible to prevent the activity of the reforming catalyst charged in the first reformer from being lowered by the sulfur component. Therefore, the raw material gas reformed by the first reformer can be stably provided to the fuel electrode of the fuel cell stack.
また、第2改質器を備えるため、原料ガスを部分酸化反応により部分的に改質して水素を含む部分改質原料ガスを生成し、水素を含む原料ガスとして前記第1脱硫器に提供することができる。このため、第1脱硫器は安定的に所望の硫黄濃度となるように水添脱硫により原料ガスから硫黄成分を除去することができる。 In addition, since the second reformer is provided, the raw material gas is partially reformed by a partial oxidation reaction to generate a partially reformed raw material gas containing hydrogen and provided to the first desulfurizer as a raw material gas containing hydrogen. can do. For this reason, the first desulfurizer can remove the sulfur component from the raw material gas by hydrodesulfurization so that the desired sulfur concentration is stably obtained.
ところで、第2改質器は、原料ガスを部分的に改質する。すなわち、第2改質器は、原料ガスの硫黄成分の水添脱硫に使用する水素を得るために必要となる流量の原料ガスだけを改質するものであればよい。 By the way, the second reformer partially reforms the raw material gas. That is, the second reformer only needs to reform only the raw material gas having a flow rate necessary for obtaining hydrogen used for hydrodesulfurization of the sulfur component of the raw material gas.
ここで、原料ガスの硫黄成分は一般的には数ppmであり、水添脱硫に必要な水素は、理論的には数十ppmと少量である。このため、第2改質器は、原料ガス全体を改質する第1改質器と比較すると格段に容量の小さい改質器で実現できるため第2改質器を設置するにあたり大きなコストがかからない。 Here, the sulfur component of the raw material gas is generally several ppm, and the hydrogen necessary for hydrodesulfurization is theoretically as small as several tens of ppm. For this reason, since the second reformer can be realized with a reformer having a remarkably small capacity as compared with the first reformer that reforms the entire raw material gas, it does not cost much to install the second reformer. .
したがって、本発明に係る燃料電池は、安価で安定的に所望の硫黄濃度まで脱硫器(第1脱硫器)により水添脱硫できるという効果を奏する。 Therefore, the fuel cell according to the present invention has an effect that it can be hydrodesulfurized by a desulfurizer (first desulfurizer) to a desired sulfur concentration stably at low cost.
本発明に係る燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、安価で安定的に所望の硫黄濃度まで脱硫器により水添脱硫できるという効果を奏する。 The fuel cell system according to the present invention is configured as described above, and has an effect that it can be hydrodesulfurized with a desulfurizer to a desired sulfur concentration at low cost and stably.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals throughout all the drawings, and the description thereof is omitted.
図1を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。 A fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、燃料電池システムは、第2改質器1,脱硫器(第1脱硫器)2,改質器(第1改質器)3,および燃料電池4を備えてなる構成である。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a second reformer 1, a desulfurizer (first desulfurizer) 2, a reformer (first reformer) 3, and a fuel cell 4. It is.
第2改質器1は、入力された原燃料ガス(原料ガス)と改質空気とから、原燃料ガスに含まれる炭化水素を改質して水素を生成する、部分酸化改質用の改質器である。この第2改質器1は、入力された原燃料ガスの炭化水素すべてを改質して水素を生成するものではなく、後段の脱硫器2における水添脱硫で必要な量の水素を生成するように、原燃料ガスを部分的に改質し、部分改質原燃料ガス(部分改質原料ガス)を生成するものである。 The second reformer 1 reforms the hydrocarbons contained in the raw fuel gas from the input raw fuel gas (raw gas) and reformed air to generate hydrogen, which is a modification for partial oxidation reforming. It is a quality device. The second reformer 1 does not reform all the hydrocarbons of the input raw fuel gas to generate hydrogen, but generates a necessary amount of hydrogen by hydrodesulfurization in the subsequent desulfurizer 2. As described above, the raw fuel gas is partially reformed to generate a partially reformed raw fuel gas (partial reforming raw material gas).
第2改質器1は、図2に示すように、原燃料ガスが流通する方向の方が長くなった円筒形状をしており、その中にアルミナ担体にNiを含浸した改質触媒が詰まっている。なお、図2は図1に示す燃料電池システムが備える第2改質器1の構成の一例を模式的に示した図である。 As shown in FIG. 2, the second reformer 1 has a cylindrical shape in which the direction in which the raw fuel gas flows is longer, and the reforming catalyst impregnated with Ni in the alumina carrier is clogged therein. ing. FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of the configuration of the second reformer 1 provided in the fuel cell system shown in FIG.
なお、この第2改質器1に充填する改質触媒は、部分酸化改質を行うことができれば上述した改質触媒に限定されるものではない。例えば、Ru又はRhをジルコニア又は安定化ジルコニアに担持させたもの(例えば特許文献2)、ロジウムと、ロジウム以外の周期律表第VIII族金属より選ばれる少なくとも1種の金属とを、アルミナとジルコニアを含む担体に担持させてなるもの(例えば、特許文献3)を用いてもよい。 The reforming catalyst charged in the second reformer 1 is not limited to the above-described reforming catalyst as long as partial oxidation reforming can be performed. For example, Ru or Rh supported on zirconia or stabilized zirconia (for example, Patent Document 2), rhodium, and at least one metal selected from Group VIII metals of the periodic table other than rhodium, alumina and zirconia (For example, Patent Document 3) may be used which is supported on a carrier containing
第2改質器1には、例えば都市ガスなどの原燃料ガスと改質空気(酸化剤ガス)とが、それぞれ原燃料ガス供給経路11、および改質空気供給経路12を通じて供給される。なお、原燃料ガスは、上述した都市ガスの代わりに、プロパンガスなどの炭化水素を主成分とする他のガスを用いてもよい。また、改質空気は、必要な流量の酸素が含まれていればよく大気中の空気であってもよいし、純酸素であってもよい。 The second reformer 1 is supplied with raw fuel gas such as city gas and reformed air (oxidant gas) through the raw fuel gas supply path 11 and the reformed air supply path 12, respectively. As the raw fuel gas, other gas mainly composed of hydrocarbon such as propane gas may be used instead of the above-described city gas. The reformed air may be air in the atmosphere as long as it contains oxygen at a required flow rate, or pure oxygen.
本実施の形態に係る燃料電池システムでは特に図示していないが、原燃料ガスおよび改質空気を第2改質器1に供給するための部材として、例えば昇圧器またはブロアを備える構成であってもよい。 Although not particularly shown in the fuel cell system according to the present embodiment, a member for supplying raw fuel gas and reformed air to the second reformer 1 is provided with, for example, a booster or a blower. Also good.
第2改質器1に原燃料ガスと改質空気とが供給されると、原燃料ガスの一部と改質空気中の酸素とは、800〜1000℃の温度範囲にて、以下の式(1)で表される部分酸化改質反応を行い、水素ガスおよび一酸化炭素を生成する。
CnHm + (n/2)O2→ n・CO + (m/2)H2 (n,mは任意の自然数) ・・・(1)
ここで、通常の都市ガスに含まれる硫黄化合物の濃度は、数ppm(parts per million)程度である。このため、脱硫器2にて行なう水添脱硫に必要な水素流量は、理論的には脱硫器2を流れる原燃料ガスに対して数十ppm程度で充分である。しかしながら、例えば、特許文献4に開示されているように、分散性を考慮して、より多くの水素を添加しながら、原燃料ガスを脱硫するように構成されている方が好適である。また、第2改質器1に供給される改質空気中の酸素流量も、理論的には原燃料ガスに対して数ppm程度で充分であるが、分散性を考慮して、より多くの空気を添加しながら、原燃料ガスを脱硫するように構成されている方が好適である。
When raw fuel gas and reformed air are supplied to the second reformer 1, a part of the raw fuel gas and oxygen in the reformed air are expressed by the following formula in a temperature range of 800 to 1000 ° C. The partial oxidation reforming reaction represented by (1) is performed to generate hydrogen gas and carbon monoxide.
C n H m + (n / 2) O 2 → n · CO + (m / 2) H 2 (n and m are arbitrary natural numbers) (1)
Here, the density | concentration of the sulfur compound contained in normal city gas is about several ppm (parts per million). For this reason, the hydrogen flow rate required for hydrodesulfurization performed in the desulfurizer 2 is theoretically about several tens of ppm relative to the raw fuel gas flowing through the desulfurizer 2. However, for example, as disclosed in Patent Document 4, it is preferable that the raw fuel gas is desulfurized while adding more hydrogen in consideration of dispersibility. Also, the oxygen flow rate in the reformed air supplied to the second reformer 1 is theoretically about several ppm with respect to the raw fuel gas, but more in consideration of dispersibility. It is preferable that the raw fuel gas is desulfurized while adding air.
また、第2改質器1は、着脱可能となるように燃料電池システムに取り付けられている。そして、入力された原燃料ガスに含まれる硫黄成分によって、改質触媒(例えば、Ni触媒)が劣化し、脱硫器2の水添脱硫に必要な流量の水素を得ることができなくなる場合、新しい第2改質器1と交換できるようになっている。 The second reformer 1 is attached to the fuel cell system so as to be detachable. When the reforming catalyst (for example, Ni catalyst) deteriorates due to the sulfur component contained in the input raw fuel gas, it becomes impossible to obtain hydrogen at a flow rate necessary for hydrodesulfurization of the desulfurizer 2. The second reformer 1 can be exchanged.
原燃料ガスが供給されると、第2改質器1では、改質触媒と原燃料ガス中の硫黄成分との反応速度と、第2改質器1を通過する原燃料ガスの通過速度との関係から一定量の改質触媒の活性が低下する。原燃料ガスが第2改質器1を流通することにより、活性が低下してしまう改質触媒量数がどの程度の期間でどの程度の量となるかについては、改質触媒の充填状態や触媒の種類などに依存する。 When the raw fuel gas is supplied, in the second reformer 1, the reaction rate between the reforming catalyst and the sulfur component in the raw fuel gas, the passing rate of the raw fuel gas passing through the second reformer 1, and From this relationship, the activity of a certain amount of the reforming catalyst decreases. The amount of the reforming catalyst whose activity decreases as the raw fuel gas circulates through the second reformer 1 is determined in what period and how much the reforming catalyst is charged. Depends on the type of catalyst.
例えば、図2に示す第2改質器1の例では1年間で原燃料ガスが供給される側から3段目までの改質触媒グループ(第1グループ;第1Gr.)の活性が低下する。そして、4年間で全ての改質触媒の活性が低下してしまう。 For example, in the example of the second reformer 1 shown in FIG. 2, the activity of the reforming catalyst group (first group; first Gr.) From the side to which the raw fuel gas is supplied to the third stage is reduced in one year. . And the activity of all the reforming catalysts will fall in four years.
より具体的には、図2に示すように、燃料電池システムの稼動1年後で第1Gr.の改質触媒グループに属する改質触媒の大部分が劣化してしまう。また、実際には硫黄成分を有したまま原燃料ガスの一部が第1Gr.を通過してしまうため、第1Gr.の後段にある第2Gr.、第3Gr.の改質触媒グループでも程度の差こそをあれ、部分的に劣化してしまう。また、燃料電池システムの稼動2年後で、第1Gr.は完全に劣化し、第2Gr.もほぼ劣化してしまう。第3Gr.および第4Gr.についても部分的に劣化してしまう。3年後では、第1,第2Gr.が完全劣化し、第3Gr.もほぼ劣化してしまう。さらにその後段にある第4Gr.は、部分的に劣化してしまう。 More specifically, as shown in FIG. 2, most of the reforming catalysts belonging to the first Gr. Reforming catalyst group deteriorate after one year of operation of the fuel cell system. In addition, in reality, a part of the raw fuel gas passes through the first Gr. With the sulfur component, so even the reforming catalyst groups of the second Gr. And the third Gr. Any difference will cause partial deterioration. In addition, two years after the operation of the fuel cell system, the first Gr. Is completely deteriorated and the second Gr. Is also substantially deteriorated. The third Gr. And the fourth Gr. Are also partially degraded. After three years, the first and second Gr. Are completely degraded, and the third Gr. Is almost degraded. Furthermore, the 4th Gr. In the subsequent stage is partially degraded.
このように、図2に示す例では、第2改質器1を4年間使用したらほぼ全部の改質触媒が劣化してしまい、新しい第2改質器1と交換することとなる。 As described above, in the example shown in FIG. 2, when the second reformer 1 is used for four years, almost all of the reforming catalyst deteriorates and is replaced with a new second reformer 1.
第2改質器1の交換時では、図2に示すようにこの第2改質器1の上流側と下流側とに設けられた第1バルブ41および第2バルブ42をそれぞれ閉じ、原燃料ガスが外部に漏れないようにする。そして、第2改質器1ごと取り外し、新たな第2改質器1と交換する。つまり、第2改質器1は燃料電池システムにおいて着脱自在となっており簡易に交換することができる。 When the second reformer 1 is replaced, the first valve 41 and the second valve 42 provided on the upstream side and the downstream side of the second reformer 1 are closed as shown in FIG. Prevent gas from leaking outside. Then, the second reformer 1 is removed and replaced with a new second reformer 1. That is, the second reformer 1 is detachable in the fuel cell system and can be easily replaced.
このように原燃料ガスおよび改質空気が第2改質器1に供給され、部分酸化改質反応により水素ガスを生成すると、第2改質器1は、この生成された水素ガス、一酸化炭素、および窒素を含有する原料ガスを、上流側改質後原燃料ガス供給経路13を通じて、脱硫器2に供給する。 When the raw fuel gas and the reformed air are thus supplied to the second reformer 1 and hydrogen gas is generated by the partial oxidation reforming reaction, the second reformer 1 A raw material gas containing carbon and nitrogen is supplied to the desulfurizer 2 through the upstream reformed raw fuel gas supply path 13.
脱硫器2は、水添脱硫の脱流方式により原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去するためのものである。脱硫器2において充填する脱硫剤としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫剤が挙げられる(例えば、特許文献5)。なお、脱硫剤は、水添脱硫を行うことができればこの脱硫剤に限定されるものではなく、Ni−Mo系又はCo−Mo系触媒と酸化亜鉛との組み合わせであってもよい。Ni−Mo系又はCo−Mo系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫剤の場合、脱硫器2は350〜400℃の温度範囲にて、原燃料ガス中の有機硫黄を水添分解する。そして、脱硫器2は、生成したH2Sを、350〜400℃の温度範囲にてZnOに吸着させて除去する。 The desulfurizer 2 is for removing sulfur components contained in the raw fuel gas by a desulfurization method of hydrodesulfurization. As a desulfurization agent with which it fills in the desulfurizer 2, the desulfurization agent containing copper and zinc is mentioned, for example (for example, patent document 5). The desulfurizing agent is not limited to this desulfurizing agent as long as it can perform hydrodesulfurization, and may be a combination of a Ni—Mo based or Co—Mo based catalyst and zinc oxide. In the case of a desulfurization agent in which a Ni—Mo or Co—Mo catalyst and zinc oxide are combined, the desulfurizer 2 hydrocrackes organic sulfur in the raw fuel gas in a temperature range of 350 to 400 ° C. And the desulfurizer 2 adsorb | sucks and removes produced | generated H2S in the temperature range of 350-400 degreeC.
例えば、原燃料ガスが都市ガスの場合、付臭剤として硫黄化合物であるジメチルスルフィド(dimethyl sulfide, C2H6S,DMS)が含有されている。このDMSは、脱硫器2において、以下の反応式(式(2)、(3))によるZnSの形、または物理吸着の形で脱硫剤に除去される。
C2H6S+2H2→2CH4+H2S ・・・(2)
H2S+ZnO→H2O+ZnS ・・・(3)
なお、脱硫できる付臭剤は、上述したDMSに限定されるものではなく、TBM(C4H10S)またはTHT(C4H8S)等の他の硫黄化合物であってもよい。
For example, when the raw fuel gas is city gas, dimethyl sulfide (C 2 H 6 S, DMS), which is a sulfur compound, is contained as an odorant. This DMS is removed in the desulfurizer 2 in the form of ZnS by the following reaction formulas (formulas (2) and (3)) or in the form of physical adsorption.
C 2 H 6 S + 2H 2 → 2CH 4 + H 2 S (2)
H 2 S + ZnO → H 2 O + ZnS (3)
The odorant that can be desulfurized is not limited to the above-described DMS, and may be other sulfur compounds such as TBM (C 4 H 10 S) or THT (C 4 H 8 S).
銅および亜鉛を含む脱硫剤を用いる場合は、脱硫器2は、10〜400℃程度、好ましくは200〜300℃程度の温度範囲で脱硫を行なう。この銅亜鉛系脱硫剤は、水添脱硫能力に加えて物理吸着能力もあり、低温では主に物理吸着、高温では化学吸着(H2S+ZnO→H2O+ZnS)を行なうことができる。この場合、脱硫後の原燃料ガスに含まれる硫黄含有量は、1vol ppb(parts per billion)以下、通常は0.1vol ppb以下となる。 When a desulfurizing agent containing copper and zinc is used, the desulfurizer 2 performs desulfurization in a temperature range of about 10 to 400 ° C, preferably about 200 to 300 ° C. This copper zinc-based desulfurization agent has a physical adsorption capability in addition to a hydrodesulfurization capability, and can mainly perform physical adsorption at low temperatures and chemical adsorption at high temperatures (H 2 S + ZnO → H 2 O + ZnS). In this case, the sulfur content contained in the raw fuel gas after desulfurization is 1 vol ppb (parts per billion) or less, usually 0.1 vol ppb or less.
このように、脱硫器2に、Ni−Mo系またはCo−Mo系触媒または銅または亜鉛のいずれかを含む脱硫剤が充填されている場合、単位体積あたりの硫黄成分除去量が大きくなる。このため、所望の硫黄濃度まで硫黄を除去するための脱硫剤の必要量を少なくすることができる。 As described above, when the desulfurizer 2 is filled with a desulfurization agent containing either a Ni-Mo-based or Co-Mo-based catalyst or copper or zinc, the sulfur component removal amount per unit volume is increased. For this reason, the required amount of the desulfurizing agent for removing sulfur to a desired sulfur concentration can be reduced.
以上のようにして脱硫器2によって脱硫された原燃料ガスは、ガス供給経路14を流通して、混合部22において改質空気供給経路21から導入された空気と混合される。そして、混合された空気と脱硫後の原燃料ガスとは、第1改質器3へと供給される。 The raw fuel gas desulfurized by the desulfurizer 2 as described above flows through the gas supply path 14 and is mixed with the air introduced from the reformed air supply path 21 in the mixing unit 22. The mixed air and the raw fuel gas after desulfurization are supplied to the first reformer 3.
第1改質器3は原燃料ガス中の炭化水素を水素と一酸化炭素とに部分酸化改質する改質器である。第1改質器3に充填する改質触媒としては、アルミナ担体にNiを含浸したもの用いる。なお、充填する改質触媒は上述したものに限定されるものではなく、第2改質器1と同様に、部分酸化改質を行うことができる改質触媒であればよい。例えば、Ru又はRhをジルコニア又は安定化ジルコニアに担持させたもの(例えば特許文献2)、ロジウムと、ロジウム以外の周期律表第VIII族金属より選ばれる少なくとも1種の金属とを、アルミナとジルコニアを含む担体に担持させてなるもの(例えば、特許文献3)を用いてもよい。 The first reformer 3 is a reformer that partially reforms hydrocarbons in raw fuel gas into hydrogen and carbon monoxide. As the reforming catalyst filled in the first reformer 3, an alumina carrier impregnated with Ni is used. The reforming catalyst to be filled is not limited to the above-described one, and any reforming catalyst that can perform partial oxidation reforming may be used as in the second reformer 1. For example, Ru or Rh supported on zirconia or stabilized zirconia (for example, Patent Document 2), rhodium, and at least one metal selected from Group VIII metals of the periodic table other than rhodium, alumina and zirconia (For example, Patent Document 3) may be used which is supported on a carrier containing
第1改質器3に供給された原燃料ガスと改質空気とを混合させた混合ガスは、800〜1000℃の温度範囲において、上述した化学式(1)で表される部分酸化改質反応を行い、水素ガスおよび一酸化炭素を生成する。そして、生成した水素ガスを含有するガスを燃料ガスとして、アノードガス供給経路15を通じて、燃料電池4へ供給する。 The mixed gas obtained by mixing the raw fuel gas and the reformed air supplied to the first reformer 3 is a partial oxidation reforming reaction represented by the above chemical formula (1) in the temperature range of 800 to 1000 ° C. To produce hydrogen gas and carbon monoxide. Then, a gas containing the generated hydrogen gas is supplied as fuel gas to the fuel cell 4 through the anode gas supply path 15.
燃料電池4は、アノードガス供給経路15から供給される燃料ガスと、カソードガス供給経路16から供給される空気(発電用空気)との反応により発電を行うものである。すなわち、燃料電池4は、第1改質器3により改質された原燃料ガスが供給される燃料極、および発電用空気が供給される空気極を有し、該燃料極と該空気極との間で発電反応を行って発電する燃料電池単セルを複数枚、直列接続したものである。なお、燃料電池4は、このように燃料電池単セルを複数枚、直列接続した構成であるが、この直接接続したものをさらに並列接続した構成としてもよい。 The fuel cell 4 generates power by a reaction between the fuel gas supplied from the anode gas supply path 15 and the air (air for power generation) supplied from the cathode gas supply path 16. That is, the fuel cell 4 has a fuel electrode to which the raw fuel gas reformed by the first reformer 3 is supplied, and an air electrode to which power generation air is supplied. The fuel electrode, the air electrode, A plurality of fuel cell single cells that generate electricity by performing a power generation reaction between them are connected in series. The fuel cell 4 has a configuration in which a plurality of fuel cell single cells are connected in series as described above, but this directly connected configuration may be further connected in parallel.
燃料電池4を構成する燃料電池単セルとして、イットリアをドープしたジルコニア(YSZ)が用いられる。なお、燃料電池単セルは、発電反応を行うことができれば上記したセルに限定されるものではなく、例えば、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる燃料電池単セルを用いても良い。燃料電池単セルがYSZの場合、厚みにもよるが、約600〜1000℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。 As a single fuel cell constituting the fuel cell 4, zirconia doped with yttria (YSZ) is used. The fuel cell unit cell is not limited to the above-described cell as long as it can perform a power generation reaction. For example, a fuel cell unit cell made of zirconia doped with yttrium or scandium, or a lanthanum gallate solid electrolyte It may be used. When the fuel cell unit cell is YSZ, the power generation reaction is performed in a temperature range of about 600 to 1000 ° C., depending on the thickness.
燃料電池4から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスは、それぞれアノードオフガス経路17およびカソードオフガス経路18へと供給される。 The anode off-gas and cathode off-gas discharged from the fuel cell 4 are supplied to the anode off-gas passage 17 and the cathode off-gas passage 18, respectively.
なお、燃料電池4で発電した電気は、不図示の集電端子部材を介して外部回路へと供給される。 The electricity generated by the fuel cell 4 is supplied to an external circuit via a current collecting terminal member (not shown).
以上のように、本実施の形態に係る燃料電池システムでは、所定の周期で第2改質器1を新たな第2改質器1と交換する構成である。すなわち、燃料電池システムには、以上のように、第2改質器1を、当該燃料電池に着脱可能に設けられ、この第2改質器1は、例えば燃料電池システムの一定期間の運転後に交換可能となる。このため、燃料電池システムでは、脱硫器2を長期間にわたり、第2改質器1の交換コストのみで運用することができる。 As described above, the fuel cell system according to the present embodiment has a configuration in which the second reformer 1 is replaced with a new second reformer 1 at a predetermined cycle. That is, as described above, the fuel cell system is provided with the second reformer 1 so as to be detachable from the fuel cell. The second reformer 1 is, for example, after a certain period of operation of the fuel cell system. It becomes exchangeable. For this reason, in the fuel cell system, the desulfurizer 2 can be operated only for a long period of time at the replacement cost of the second reformer 1.
ここで、第2改質器1の下流側に配置された脱硫器2において実施する水添脱硫で必要な水素流量は理論的には数十ppm程度であり非常に小さい。このため、第2改質器1はこの数十ppm程度の水素を生成できればよく、小さい改質器で実現できる。このように第2改質器1は、小さい改質器で実現できるため、第2改質器1を所定の周期で新たな第2改質器1と交換したとしても、その交換にかかるコストは小さい。 Here, the hydrogen flow rate required for hydrodesulfurization performed in the desulfurizer 2 disposed on the downstream side of the second reformer 1 is theoretically about several tens of ppm, which is very small. For this reason, the 2nd reformer 1 should just be able to produce | generate this hydrogen of about several dozen ppm, and it is realizable with a small reformer. Since the second reformer 1 can be realized with a small reformer as described above, even if the second reformer 1 is replaced with a new second reformer 1 at a predetermined cycle, the cost required for the replacement. Is small.
また、所定の周期で新たな第2改質器1に交換しさえすれば、上記した特許文献1に示す従来技術のように所望の硫黄濃度まで脱硫できないという問題が生じることなく、安定的に、水添脱硫を行うことができる。つまり、従来技術のように水添脱硫に必要な水素ガスをリサイクル供給する必要がないため、水添脱硫器に供給する水素含有ガスが結露したり、窒素濃度が上昇したりすることがなくなり、安定的に、水添脱硫を行うことができる。 Moreover, as long as it is replaced with a new second reformer 1 at a predetermined cycle, the problem that it cannot be desulfurized to a desired sulfur concentration as in the prior art shown in Patent Document 1 described above can occur stably. Hydrodesulfurization can be performed. In other words, it is not necessary to recycle the hydrogen gas necessary for hydrodesulfurization as in the prior art, so that the hydrogen-containing gas supplied to the hydrodesulfurizer does not condense or the nitrogen concentration increases, Hydrodesulfurization can be performed stably.
なお、上記した燃料電池4は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)であってもよいし、固体高分子形燃料電池(PEFC)であってもよい。あるいは、りん酸形燃料電池(PAFC)であってもよいし、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。 The fuel cell 4 described above may be a solid oxide fuel cell (SOFC) or a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). Alternatively, it may be a phosphoric acid fuel cell (PAFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC).
なお、燃料電池システムが備える第1改質器3は部分酸化改質反応を行なう改質器であったが、水蒸気改質器を行なう改質器であってもよい。 Although the first reformer 3 provided in the fuel cell system is a reformer that performs a partial oxidation reforming reaction, it may be a reformer that performs a steam reformer.
より具体的には、図3に示すように混合部22へ改質空気の代わりに改質水(水または水蒸気)を導入する。そして、第1改質器3が、改質水と原料ガスとの混合ガスを水蒸気改質するように構成する。図3は本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。 More specifically, as shown in FIG. 3, reformed water (water or steam) is introduced into the mixing unit 22 instead of the reformed air. The first reformer 3 is configured to steam reform the mixed gas of the reformed water and the raw material gas. FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.
なお、水蒸気改質は吸熱反応であり、この水蒸気改質に燃料電池4における発電反応に供され、空気極側から排出されたカソードオフガスおよび燃料極側から排出されたアノードオフガスが有する熱エネルギーが利用されるように構成されていることが好適である。このように燃料電池システムが構成される場合、第1改質器3は原燃料ガス中の炭化水素を水素と一酸化炭素とに水蒸気改質する。第1改質器3において充填する改質触媒としては、アルミナ担体にNiを含浸したもの用いる。なお、この第1改質器3に充填する改質触媒は、このアルミナ担体にNiを含浸したものに限定されるものではなく、水蒸気改質を行うことができるものであればよい。例えば、改質触媒はルテニウム、パラジウム、ロジウムおよびニッケルのうちの少なくとも一つを含んでいる改質触媒であっても良い。 The steam reforming is an endothermic reaction, and the thermal energy of the cathode offgas discharged from the air electrode side and the anode offgas discharged from the fuel electrode side is supplied to the power generation reaction in the fuel cell 4 for this steam reforming. It is suitable that it is configured to be used. When the fuel cell system is configured in this way, the first reformer 3 performs steam reforming of hydrocarbons in the raw fuel gas into hydrogen and carbon monoxide. As the reforming catalyst filled in the first reformer 3, an alumina carrier impregnated with Ni is used. The reforming catalyst charged in the first reformer 3 is not limited to the alumina carrier impregnated with Ni, but may be any catalyst that can perform steam reforming. For example, the reforming catalyst may be a reforming catalyst containing at least one of ruthenium, palladium, rhodium and nickel.
第1改質器3に供給された原燃料ガスと改質水との混合ガスは、400〜800℃の温度範囲にて、下記の式(4)で表される水蒸気改質反応を行い、水素ガスおよび一酸化炭素を生成する。
CnHm + n・H2O → n・CO + (m/2 + n)H2 (n,mは任意の自然数)・・・(4)
そして、第1改質器3は、生成した水素ガスを含むガスを燃料ガスとしてアノードガス供給経路15を通じて燃料電池4に供給する。
The mixed gas of raw fuel gas and reformed water supplied to the first reformer 3 performs a steam reforming reaction represented by the following formula (4) in a temperature range of 400 to 800 ° C., Produces hydrogen gas and carbon monoxide.
C n H m + n · H 2 O → n · CO + (m / 2 + n) H 2 (n, m is an arbitrary natural number) (4)
Then, the first reformer 3 supplies a gas containing the generated hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell 4 through the anode gas supply path 15.
また、図示はしていないが、燃料電池4から排出されるオフガス(アノードオフガスおよびカソードオフガス)の排熱を第1改質器3へ供給するための熱交換器をさらに備え、第1改質器3における水蒸気改質に必要な熱をこの排熱によって賄うように構成されていてもよい。 Although not shown, the heat exchanger further includes a heat exchanger for supplying exhaust heat of off-gas (anode off-gas and cathode off-gas) discharged from the fuel cell 4 to the first reformer 3, and the first reformer is provided. The heat necessary for steam reforming in the vessel 3 may be provided by this exhaust heat.
あるいは、オフガスの排熱を第2改質器1または脱硫器2へ供給するための熱交換器をさらに備え、第2改質器1または脱硫器2において所定の高温に保温維持するための熱をこの排熱によって賄うように構成されていてもよい。 Alternatively, a heat exchanger for supplying off-gas exhaust heat to the second reformer 1 or the desulfurizer 2 is further provided, and heat for maintaining the temperature at a predetermined high temperature in the second reformer 1 or the desulfurizer 2. It may be configured to cover this by this exhaust heat.
このように、オフガスの排熱によって第2改質器1および脱硫器2を所定の高温に保温維持する構成の場合、燃料電池4から排出されるオフガスの熱エネルギーを有効利用できる。このため、燃料電池システムにおける発電効率を向上させることができる。 As described above, when the second reformer 1 and the desulfurizer 2 are maintained at a predetermined high temperature by exhaust heat of the off gas, the thermal energy of the off gas discharged from the fuel cell 4 can be effectively used. For this reason, the power generation efficiency in the fuel cell system can be improved.
また、部分酸化改質を行なう第2改質器1の運転温度は、例えば800〜1000℃程度となる。また、脱硫器2の運転温度は、例えば、350〜400℃程度となる。そこで、燃料電池システムの起動時において第2改質器1および脱硫器2を適切な運転温度まで加熱するための起動用ヒータを備えるように構成されてもよい。 The operating temperature of the second reformer 1 that performs partial oxidation reforming is, for example, about 800 to 1000 ° C. The operating temperature of the desulfurizer 2 is, for example, about 350 to 400 ° C. Therefore, a startup heater for heating the second reformer 1 and the desulfurizer 2 to an appropriate operating temperature at the startup of the fuel cell system may be provided.
また、本実施の形態に係る燃料電池システムは、補助脱硫器として吸着式脱硫器をさらに備え、燃料電池システムの起動時には、原燃料ガスをこの補助脱硫器に供給し、脱硫させて脱硫器2の下流側に導くように構成してもよい。補助脱硫器は、常温で硫黄成分をゼオライトなどの吸着剤に吸着させて除去する脱硫器である。 The fuel cell system according to the present embodiment further includes an adsorptive desulfurizer as an auxiliary desulfurizer. When the fuel cell system is started, the raw fuel gas is supplied to the auxiliary desulfurizer and desulfurized to be desulfurized. You may comprise so that it may guide | induced to the downstream of this. The auxiliary desulfurizer is a desulfurizer that removes sulfur components by adsorbing them on an adsorbent such as zeolite at room temperature.
第2改質器1および脱硫器2に起動用ヒータを設け、燃料電池システムの起動時にこれらのヒータを稼動させて加熱したとしても、第2改質器1および脱硫器2は適切な運転温度まですぐに上昇しない。このため、燃料電池システムの起動時には、第2改質器1および脱硫器2によって充分に改質、脱硫を行なうことができない。 Even if the second reformer 1 and the desulfurizer 2 are provided with startup heaters, and these heaters are operated and heated at the time of startup of the fuel cell system, the second reformer 1 and the desulfurizer 2 can be operated at appropriate temperatures. Does not rise up quickly. For this reason, at the time of starting the fuel cell system, the second reformer 1 and the desulfurizer 2 cannot sufficiently reform and desulfurize.
そこで、常温で脱硫できる補助脱硫器をさらに設け、燃料電池システムの起動時から第2改質器1および脱硫器2が適切な運転温度まで加熱されるまでの間、この補助脱硫器により原燃料ガスの脱硫を行なうように構成されていてもよい。 Therefore, an auxiliary desulfurizer that can be desulfurized at room temperature is further provided, and this auxiliary desulfurizer allows the raw fuel to be supplied from the start of the fuel cell system until the second reformer 1 and desulfurizer 2 are heated to an appropriate operating temperature. It may be configured to perform gas desulfurization.
また、このように補助脱硫器を備えることで、第2改質器1および脱硫器2の保守点検や交換時には、この補助脱硫器により原燃料ガスにおける脱硫を行なうことができ、燃料電池システムの運転を止める必要がなくなる。 In addition, by providing the auxiliary desulfurizer in this way, when the second reformer 1 and the desulfurizer 2 are maintained and inspected or replaced, the auxiliary fuel can be desulfurized in the raw fuel gas by the auxiliary desulfurizer. There is no need to stop driving.
なお、補助脱硫器は、脱硫剤の表面に硫黄成分(硫黄化合物)が吸着しているだけなので長時間の運転には不向きであるが、第2改質器1および脱硫器2が適切な運転温度まで加熱されるまでの間、あるいはこれらの交換作業の間といった短時間であれば問題がない。 The auxiliary desulfurizer is not suitable for a long-time operation because only the sulfur component (sulfur compound) is adsorbed on the surface of the desulfurizing agent, but the second reformer 1 and the desulfurizer 2 are appropriately operated. There is no problem as long as it is a short time, such as until it is heated to the temperature, or during these replacement operations.
(変形例1)
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの変形例1について図4を参照して以下に説明する。
(Modification 1)
Next, Modification 1 of the fuel cell system according to the present embodiment will be described below with reference to FIG.
図4は、本発明の実施形態の変形例1に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。図4において、上述した本発明の実施の形態に係る燃料電池システムと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。 FIG. 4 is a block diagram showing an example of the configuration of the fuel cell system according to Modification 1 of the embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same components as those of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
変形例1に係る燃料電池システムは、上述した本発明の実施の形態に係る燃料電池システムと比較して以下の点において異なる。 The fuel cell system according to Modification 1 is different from the above-described fuel cell system according to the embodiment of the present invention in the following points.
すなわち、変形例1に係る燃料電池システムは、図1または図3に示す本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成においてさらに第2改質器バイパス経路23を備え、原燃料ガスの一部を第2改質器バイパス経路23に流通させる点で異なる。より具体的には、変形例1に係る燃料電池システムでは、供給された原燃料ガスおよび改質空気を第2改質器1にすべて供給するのではなく、原燃料ガスの一部だけを第2改質器1に供給する。そして、残余の原料ガスを第2改質器バイパス経路23に流通させて、脱硫器2に導入する。 That is, the fuel cell system according to Modification 1 further includes a second reformer bypass path 23 in the configuration of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 or FIG. The difference is that the part is circulated through the second reformer bypass path 23. More specifically, in the fuel cell system according to Modification 1, not all of the supplied raw fuel gas and reformed air are supplied to the second reformer 1, but only a part of the raw fuel gas is supplied to the second reformer 1. 2 Supply to the reformer 1. Then, the remaining raw material gas is circulated through the second reformer bypass path 23 and introduced into the desulfurizer 2.
ここで、上述したように原燃料ガスに含まれる硫黄化合物の濃度は、数ppm程度である。このため、脱硫器2で行なう水添脱硫に必要な水素流量は、理論的には原燃料ガスに対して理論的には数十ppm程度で充分である。理論的には全原燃料ガス流量のうちの数ppmが第2改質器1に供給され、部分酸化改質されれば、必要な水素流量を得ることができる。ただし、分散性を考慮して、この数ppmよりも多めに原燃料ガスを第2改質器1に流すように構成されている方が好適である。 Here, as described above, the concentration of the sulfur compound contained in the raw fuel gas is about several ppm. For this reason, the theoretical hydrogen flow rate required for the hydrodesulfurization performed in the desulfurizer 2 is theoretically about several tens of ppm relative to the raw fuel gas. Theoretically, if several ppm of the total raw fuel gas flow rate is supplied to the second reformer 1 and subjected to partial oxidation reforming, a necessary hydrogen flow rate can be obtained. However, in consideration of dispersibility, it is preferable that the raw fuel gas is flowed to the second reformer 1 more than this several ppm.
このように、変形例1に係る燃料電池システムは、原燃料ガスを第2改質器1を経由せずに脱硫器2に供給する第2改質器バイパス経路23をさらに備える。そして、脱硫器2は、第2改質器1から供給される部分改質ガス及び第2改質器バイパス経路23から供給される原燃料ガスそれぞれの硫黄成分を、この第2改質器1で生成した水素を利用して水添脱硫により除去するように構成されている。また、変形例1に係る燃料電池システムは、脱硫器2による水添脱硫で必要な水素流量が得られる流量の原燃料ガスが第2改質器1に供給され、その残余の原燃料ガスが第2改質器バイパス経路23を介して前記第1脱硫器に供給されるように構成されているとも言える。 As described above, the fuel cell system according to Modification 1 further includes the second reformer bypass path 23 that supplies the raw fuel gas to the desulfurizer 2 without passing through the second reformer 1. The desulfurizer 2 then converts the sulfur components of the partially reformed gas supplied from the second reformer 1 and the raw fuel gas supplied from the second reformer bypass path 23 into the second reformer 1. It is configured to be removed by hydrodesulfurization using the hydrogen generated in 1. Further, in the fuel cell system according to the modified example 1, a raw fuel gas having a flow rate capable of obtaining a hydrogen flow rate necessary for hydrodesulfurization by the desulfurizer 2 is supplied to the second reformer 1, and the remaining raw fuel gas is supplied. It can be said that it is configured to be supplied to the first desulfurizer via the second reformer bypass path 23.
上記した構成によると、第2改質器バイパス経路23をさらに備えるため、第2改質器に流通する原料ガスの流量を少なくすることができる。それゆえ、この第2改質器における圧力損失を少なくすることができる。また、第2改質器における改質触媒の劣化を低減することもできる。 According to the configuration described above, since the second reformer bypass path 23 is further provided, the flow rate of the raw material gas flowing through the second reformer can be reduced. Therefore, the pressure loss in the second reformer can be reduced. In addition, the deterioration of the reforming catalyst in the second reformer can be reduced.
また、第2改質器1の運転温度は800〜1000℃程度と高温だが、脱硫器2の運転温度は200〜300℃程度と第2改質器1よりも低温である。このため、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムのように、第2改質器1に原燃料ガスの全てを流通させる場合、第2改質器1により改質され、排出された原燃料ガスは高温となり、脱硫器2の運転温度を上回る。このため、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムでは、この排出された原燃料ガスを適切な温度まで低下させて脱硫器2に供給する必要がある。 The operating temperature of the second reformer 1 is as high as about 800 to 1000 ° C., but the operating temperature of the desulfurizer 2 is about 200 to 300 ° C. and is lower than that of the second reformer 1. For this reason, when all the raw fuel gas is circulated through the second reformer 1 as in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the raw material reformed and discharged by the second reformer 1. The fuel gas becomes hot and exceeds the operating temperature of the desulfurizer 2. For this reason, in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the discharged raw fuel gas needs to be lowered to an appropriate temperature and supplied to the desulfurizer 2.
しかしながら、変形例1に係る燃料電池システムでは、図4に示すように大量の原燃料ガスを室温で脱硫器2に導き、少量の原燃料ガスのみを第2改質器1に供給させている。このため、第2改質器1から排出された高温の原燃料ガスと室温の原燃料ガスを脱硫器2で混合させて適切な温度となるように容易に調整することができる。 However, in the fuel cell system according to Modification 1, as shown in FIG. 4, a large amount of raw fuel gas is led to the desulfurizer 2 at room temperature, and only a small amount of raw fuel gas is supplied to the second reformer 1. . For this reason, the high temperature raw fuel gas discharged from the second reformer 1 and the room temperature raw fuel gas can be easily adjusted so as to have an appropriate temperature by mixing in the desulfurizer 2.
(変形例2)
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの変形例2について図5を参照して以下に説明する。
(Modification 2)
Next, Modification 2 of the fuel cell system according to the present embodiment will be described below with reference to FIG.
図5は、本発明の実施形態の変形例2に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。図5において、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。 FIG. 5 is a block diagram showing an example of the configuration of a fuel cell system according to Modification 2 of the embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same components as those of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
変形例2に係る燃料電池システムは、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムと以下の点で異なる。すなわち、変形例2に係る燃料電池システムは、図1または図3に示す本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成において第2改質器バイパス経路23を備え、原燃料ガスの一部を第2改質器バイパス経路23に流通させる点で異なる。また、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムでは、第2改質器1に例えば大気中の空気などを改質空気として供給する構成であった。これに対して、変形例2に係る燃料電池システムは、カソードオフガスリサイクル経路26をさらに備え、高温のカソードオフガスの一部を第2改質器1の改質空気として、このカソードオフガスリサイクル経路26を介して導入する点で異なる。 The fuel cell system according to Modification 2 is different from the fuel cell system according to the embodiment of the present invention in the following points. That is, the fuel cell system according to the modified example 2 includes the second reformer bypass path 23 in the configuration of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 or FIG. Is different in that it flows through the second reformer bypass path 23. Further, the fuel cell system according to the embodiment of the present invention is configured to supply, for example, air in the atmosphere as reformed air to the second reformer 1. On the other hand, the fuel cell system according to the modified example 2 further includes a cathode offgas recycling path 26, and a part of the high temperature cathode offgas is used as the reformed air of the second reformer 1, and the cathode offgas recycling path 26. It is different in that it is introduced through.
つまり、変形例2に係る燃料電池システムでは、カソードオフガス経路18の途中にオリフィス機構を儲け、所定量のカソードオフガスがカソードオフガスリサイクル経路26を流れるように構成されている。 That is, the fuel cell system according to Modification 2 is configured such that an orifice mechanism is provided in the middle of the cathode offgas passage 18 so that a predetermined amount of cathode offgas flows through the cathode offgas recycling passage 26.
ここで燃料電池4での酸素利用率は30%程度である。このため、燃料電池4に供給した酸素量を100%とすると、カソードオフガスには70%程度の酸素が残っており、第2改質器1に供給するのに十分な酸素を含んでいる。このため、変形例2に係る燃料電池システムでは、改質空気の代わりにカソードオフガスを供給することができる。 Here, the oxygen utilization rate in the fuel cell 4 is about 30%. For this reason, assuming that the amount of oxygen supplied to the fuel cell 4 is 100%, about 70% of oxygen remains in the cathode off-gas and contains sufficient oxygen to be supplied to the second reformer 1. For this reason, in the fuel cell system according to Modification 2, the cathode offgas can be supplied instead of the reformed air.
また、例えば、燃料電池4の燃料電池単セルがYSZの場合、約600〜1000℃のカソードオフガスが、この燃料電池4から排気される。このため、カソードオフガスを第2改質器1に供給することで第2改質器1、ならびに第2改質器1の下流に配される脱硫器2の加熱を行なうことができる。 For example, when the single fuel cell of the fuel cell 4 is YSZ, a cathode off gas of about 600 to 1000 ° C. is exhausted from the fuel cell 4. For this reason, by supplying the cathode off gas to the second reformer 1, the second reformer 1 and the desulfurizer 2 disposed downstream of the second reformer 1 can be heated.
つまり、変形例2に係る燃料電池システムは、以上のように、脱硫器2によって硫黄成分が除去された原燃料ガス(脱硫原料ガス)に改質水を混合する混合部22を備えている。また、燃料電池4における発電反応で消費されずに燃料電池4からそれぞれ排出された空気であるカソードオフガスと燃料ガスであるアノードオフガスとが有する排熱(熱エネルギー)を利用して、第1改質器3が混合部22において改質水を混合した脱硫原料ガスを水蒸気改質するように構成されている。 That is, the fuel cell system according to Modification 2 includes the mixing unit 22 that mixes reformed water with the raw fuel gas (desulfurized raw material gas) from which the sulfur component has been removed by the desulfurizer 2 as described above. In addition, the first modification is performed by using exhaust heat (thermal energy) of the cathode offgas, which is the air discharged from the fuel cell 4 without being consumed by the power generation reaction in the fuel cell 4, and the anode offgas, which is the fuel gas. The mass device 3 is configured to steam reform the desulfurization raw material gas mixed with reforming water in the mixing unit 22.
このため、変形例2に係る燃料電池システムでは、燃料電池4から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスのエネルギーを吸熱反応である第1改質器の水蒸気改質に有効利用できる。このため、燃料電池システムは燃料電池の発電効率を向上することができる。 For this reason, in the fuel cell system according to Modification 2, the energy of the anode off-gas and the cathode off-gas discharged from the fuel cell 4 can be effectively used for steam reforming of the first reformer, which is an endothermic reaction. For this reason, the fuel cell system can improve the power generation efficiency of the fuel cell.
(変形例3)
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの変形例3について図6を参照して以下に説明する。
(Modification 3)
Next, Modification 3 of the fuel cell system according to the present embodiment will be described below with reference to FIG.
図6は、本発明の実施形態の変形例3に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。図6において、上述した本発明の実施の形態に係る燃料電池システムと同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。 FIG. 6 is a block diagram showing an example of the configuration of a fuel cell system according to Modification 3 of the embodiment of the present invention. In FIG. 6, the same components as those of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
変形例3に係る燃料電池システムは、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムと以下の点で異なる。すなわち、変形例3に係る燃料電池システムは、図1または図3に示す燃料電池システムの構成において第2改質器バイパス経路23を備え、原燃料ガスの一部を第2改質器バイパス経路23に流通させる点で異なる。また、変形例3に係る燃料電池システムは、第2改質器1の前段(上流側)において、吸着式の脱硫器である吸着脱硫器(第2脱流器)6をさらに備える点でも異なる。 The fuel cell system according to Modification 3 differs from the fuel cell system according to the embodiment of the present invention in the following points. That is, the fuel cell system according to Modification 3 includes the second reformer bypass path 23 in the configuration of the fuel cell system shown in FIG. 1 or FIG. 3, and part of the raw fuel gas is supplied to the second reformer bypass path. 23 in that it is distributed. The fuel cell system according to Modification 3 is different in that it further includes an adsorptive desulfurizer (second deflower) 6 that is an adsorption-type desulfurizer at the upstream side (upstream side) of the second reformer 1. .
ところで、吸着脱硫器6のような吸着式の脱硫器は、上述したように脱硫剤の表面に硫黄成分(硫黄化合物)が吸着して脱硫を行なう構成のため、通常は、大容量の脱硫器を用意しなければ原燃料ガスの脱硫を長時間、行なうことができない。しかしながら、変形例3に係る燃料電池システムでは、全原燃料ガス流量に対して、数十ppm程度の水素ガスを生成するために必要な少量の原燃料ガスがこの吸着脱硫器6を流通するだけである。このため、脱硫剤の表面に吸着する硫黄成分量は微量であり、大容量の脱硫器を用意する必要がない。 By the way, an adsorption-type desulfurizer such as the adsorptive desulfurizer 6 has a configuration in which a sulfur component (sulfur compound) is adsorbed on the surface of the desulfurizing agent as described above, and therefore usually has a large capacity. If this is not prepared, the raw fuel gas cannot be desulfurized for a long time. However, in the fuel cell system according to the modified example 3, only a small amount of raw fuel gas necessary to generate hydrogen gas of several tens of ppm with respect to the total raw fuel gas flow rate flows through the adsorptive desulfurizer 6. It is. For this reason, the amount of sulfur component adsorbed on the surface of the desulfurizing agent is very small, and it is not necessary to prepare a large-capacity desulfurizer.
ただし、吸着する硫黄成分量が微量であるとはいえ、燃料電池システムの長時間の運転の間、この吸着脱硫器6を使用していると、脱硫剤の表面全体に硫黄成分が吸着して、さらなる硫黄成分の吸着ができなくなる場合がある。そこで、吸着脱硫器6は、燃料電池システムにおいて着脱可能となっており、適切なタイミングで新たな吸着脱硫器6と交換することができるようになっている。 However, although the amount of adsorbed sulfur component is very small, if this adsorbing desulfurizer 6 is used during the long-time operation of the fuel cell system, the sulfur component is adsorbed on the entire surface of the desulfurizing agent. In some cases, further sulfur components cannot be adsorbed. Therefore, the adsorptive desulfurizer 6 can be attached and detached in the fuel cell system, and can be replaced with a new adsorptive desulfurizer 6 at an appropriate timing.
変形例3に係る燃料電池システムでは、原燃料ガスが供給されると、全原燃料ガス流量に対して、数十ppm程度の水素ガスを生成するために必要な少量の原燃料ガスが吸着脱硫器6に導入され、残りの大部分の原燃料ガスは第2改質器バイパス経路23を通流して脱硫器2に導かれる。 In the fuel cell system according to Modification 3, when raw fuel gas is supplied, a small amount of raw fuel gas necessary to generate hydrogen gas of about several tens of ppm is absorbed and desulfurized with respect to the total raw fuel gas flow rate. Most of the remaining raw fuel gas is introduced into the vessel 6 and flows into the desulfurizer 2 through the second reformer bypass passage 23.
吸着脱硫器6は、供給された原燃料ガス中に含有される硫黄成分を取り除き、第2改質器1に供給する。第2改質器1では吸着脱硫器6から供給された硫黄成分が取り除かれた原燃料ガスと改質空気とによって部分酸化改質を行い、水素を生成する。そして、生成した水素を脱硫器2に供給する。 The adsorptive desulfurizer 6 removes the sulfur component contained in the supplied raw fuel gas and supplies it to the second reformer 1. In the second reformer 1, partial oxidation reforming is performed by the raw fuel gas from which the sulfur component supplied from the adsorptive desulfurizer 6 is removed and the reformed air to generate hydrogen. Then, the generated hydrogen is supplied to the desulfurizer 2.
脱硫器2では、第2改質器1から加えられた水素を利用した水添脱硫により第2改質器バイパス経路23を介して供給された原燃料ガスから硫黄成分を除去し混合部22を介して第1改質器3に送出される。これ以降の処理は、上述した本発明の実施の形態に係る燃料電池システムと同様であるため省略する。 In the desulfurizer 2, the sulfur component is removed from the raw fuel gas supplied via the second reformer bypass path 23 by hydrodesulfurization using hydrogen added from the second reformer 1, and the mixing unit 22 is removed. To the first reformer 3. Since the subsequent processing is the same as that of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention described above, the description thereof is omitted.
以上のように、変形例3に係る燃料電池システムでは、第2改質器1の前段に吸着脱硫器6をさらに備える構成である。つまり、変形例3に係る燃料電池システムは、当該燃料電池システムに着脱可能に設けられ、原燃料ガスの硫黄成分を吸着させて脱硫し、この脱硫した原燃料ガスを第2改質器1に供給する吸着脱硫器6をさらに備えるように構成されている。 As described above, the fuel cell system according to Modification 3 has a configuration in which the adsorptive desulfurizer 6 is further provided in the previous stage of the second reformer 1. That is, the fuel cell system according to Modification 3 is detachably provided in the fuel cell system, adsorbs and desulfurizes the sulfur component of the raw fuel gas, and supplies the desulfurized raw fuel gas to the second reformer 1. The adsorbing desulfurizer 6 is further provided.
このため、この吸着脱硫器6により第2改質器1に硫黄成分が入ることを防ぐことができ、第2改質器1の活性を低下させないようにすることができる。このため第2改質器1を所定の周期で交換する必要がなくなる。 For this reason, this adsorption desulfurizer 6 can prevent the sulfur component from entering the second reformer 1, and the activity of the second reformer 1 can be prevented from being lowered. For this reason, it is not necessary to replace the second reformer 1 at a predetermined cycle.
つまり、変形例3に係る燃料電池システムは、このように脱硫器2を長期にわたり運用するにあたって、第2改質器1を所定の周期で交換する必要がなくなるが、その代わり、吸着脱硫器6を所定の周期で交換する必要がある。 That is, in the fuel cell system according to the modified example 3, in order to operate the desulfurizer 2 for a long period of time as described above, it is not necessary to replace the second reformer 1 at a predetermined cycle. Instead, the adsorptive desulfurizer 6 Need to be exchanged at predetermined intervals.
したがって、流通する原燃料ガスの組成にもよるが、第2改質器1よりも吸着脱硫器6を所定周期で交換する方が燃料電池システムの運転コストが低くなる場合、変形例3に係る燃料電池システムの構成を採用することが好ましい。 Therefore, although it depends on the composition of the raw fuel gas to be distributed, the operation cost of the fuel cell system is lower when the adsorption desulfurizer 6 is replaced at a predetermined period than the second reformer 1. It is preferable to adopt the configuration of the fuel cell system.
逆に、吸着脱硫器6よりも第2改質器1を所定の周期で交換する方が、燃料電池システムの運転コストが低くなる場合、本実施の形態に係る燃料電池システム、あるいは変形例1または2に係る燃料電池システムを採用することが好適である。 On the contrary, when the operating cost of the fuel cell system is lower when the second reformer 1 is replaced at a predetermined cycle than the adsorptive desulfurizer 6, the fuel cell system according to the present embodiment or Modification 1 Alternatively, the fuel cell system according to 2 is preferably employed.
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
本発明に係る燃料電池システムは、安価かつ安定的に、水添脱硫を行うことができるため、水添脱硫装置を備える燃料電池システムにおいて有用である。またディーゼル発電機等の原料ガスの脱硫が必要な他の用途にも応用できる。 Since the fuel cell system according to the present invention can perform hydrodesulfurization inexpensively and stably, it is useful in a fuel cell system including a hydrodesulfurization device. It can also be applied to other uses that require desulfurization of source gas such as diesel generators.
1 第2改質器
2 脱硫器
3 第1改質器
4 燃料電池
6 吸着脱硫器
11 原燃料ガス供給経路
12 改質空気供給経路
13 上流側改質後原燃料ガス供給経路
14 ガス供給経路
15 アノードガス供給経路
16 カソードガス供給経路
17 アノードオフガス経路
18 カソードオフガス経路
21 改質空気供給経路
22 混合部
23 第2改質器バイパス経路
26 カソードオフガスリサイクル経路
41 第1バルブ
42 第2バルブ
104 脱硫器
117 昇圧器
120 混合器
142 分岐戻し流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 2nd reformer 2 Desulfurizer 3 1st reformer 4 Fuel cell 6 Adsorption desulfurizer 11 Raw fuel gas supply path 12 Reformed air supply path 13 Original reformed raw fuel gas supply path 14 Gas supply path 15 Anode gas supply path 16 Cathode gas supply path 17 Anode off gas path 18 Cathode off gas path 21 Reformed air supply path 22 Mixing unit 23 Second reformer bypass path 26 Cathode off gas recycle path 41 First valve 42 Second valve 104 Desulfurizer 117 Booster 120 Mixer 142 Branch return flow path
Claims (8)
前記第1脱硫器により硫黄成分が除去された脱硫原料ガスを受け取り、該脱硫原料ガスを改質して燃料ガスを生成する第1改質器と、
前記第1改質器で生成された前記燃料ガスを受け取り、該燃料ガスと外部から供給される空気とを発電反応させて発電する燃料電池と、
原料ガスを部分酸化反応により部分的に改質して水素を含む部分改質原料ガスを生成し、この生成した部分改質原料ガスを前記水素を含む原料ガスとして前記第1脱硫器に供給する第2改質器と、を備えた燃料電池システム。 A first desulfurizer for removing the sulfur component of the raw material gas containing hydrogen by hydrodesulfurization;
A first reformer for receiving a desulfurization raw material gas from which sulfur components have been removed by the first desulfurizer, and reforming the desulfurization raw material gas to generate a fuel gas;
A fuel cell that receives the fuel gas generated by the first reformer and generates electricity by causing a power generation reaction between the fuel gas and air supplied from the outside; and
A partial reforming raw material gas containing hydrogen is generated by partially reforming the raw material gas by a partial oxidation reaction, and the generated partial reforming raw material gas is supplied to the first desulfurizer as the raw material gas containing hydrogen. And a second reformer.
前記第1脱硫器は、前記第2改質器から供給される部分改質ガス及び前記バイパス経路から供給される原料ガスそれぞれの硫黄成分を、該第2改質器により生成された水素を利用して水添脱硫により除去するように構成された請求項1に記載の燃料電池システム。 A bypass path for supplying the raw material gas to the first desulfurizer without passing through the second reformer;
The first desulfurizer uses hydrogen generated by the second reformer for the sulfur component of the partially reformed gas supplied from the second reformer and the raw material gas supplied from the bypass path. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is configured to be removed by hydrodesulfurization.
前記カソードオフガスを、第2改質器が部分酸化反応に使用するように構成された請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A cathode offgas recycling path for guiding cathode offgas, which is air discharged from the fuel cell without being consumed by a power generation reaction in the fuel cell, to the second reformer;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the cathode offgas is configured to be used by a second reformer for a partial oxidation reaction.
前記燃料電池における発電反応で消費されずに前記燃料電池からそれぞれ排出された空気であるカソードオフガスと燃料ガスであるアノードオフガスとが有する熱エネルギーを利用して、前記第1改質器が前記混合部において改質水を混合した脱硫原料ガスを水蒸気改質するように構成された請求項1から6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A mixing unit that mixes reformed water with the desulfurization source gas from which the sulfur component has been removed by the first desulfurizer;
The first reformer uses the thermal energy of the cathode offgas, which is the air discharged from the fuel cell without being consumed by the power generation reaction in the fuel cell, and the anode offgas, which is the fuel gas, to mix the first reformer. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the desulfurization raw material gas mixed with reforming water is steam reformed in the section.
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