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JPH0757758A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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Publication number
JPH0757758A
JPH0757758A JP5205260A JP20526093A JPH0757758A JP H0757758 A JPH0757758 A JP H0757758A JP 5205260 A JP5205260 A JP 5205260A JP 20526093 A JP20526093 A JP 20526093A JP H0757758 A JPH0757758 A JP H0757758A
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JP
Japan
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gas
fuel
hydrogen
fuel cell
hydrogen gas
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JP5205260A
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Japanese (ja)
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Masanobu Kito
賢信 鬼頭
Takao Soma
隆雄 相馬
Tomonori Takahashi
知典 高橋
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NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
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Abstract

PURPOSE:To increase the hydrogen concentration in a fuel gas, and to improve the efficiency of a fuel cell by purifying the fuel gas by a hydrogen gas separator and by feeding the gas to the fuel cell, and by removing carbon monoxide which is the catalytic poison to the electrode of the fuel cell. CONSTITUTION:A material fuel is fed from a material fuel feeder 1 to a reformer 4 through a feeding valve 1a and a carburetor 3, and the fuel gas rich in hydrogen gas thus provided is purified by a hydrogen purifier 14, and the amount of carbon monoxide is reduced to no more than 1000ppm. Steam is separated from the mixed gas by a heat exchanger 10 and a moisture separator 12, and the steam is fed to the reformer 4 by a recycle line 21 provided with a circulation blower 20. The gases separated from the steam by the hydrogen separator 12, namely, carbon monoxide, the hydrogen carbide not yet reacted, and the hydrogen not yet processed, are fed to a heating furnace 6 by a line 23 through a blower 22, and is combusted therein. The hydrogen gas purified by the hydrogen purifier 14 is fed to the negative electrode 16a of a fuel cell 16, as a fuel. The air is fed to an air electrode 16b from an air line 17.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、水素ガスを燃料とし
て、酸素ガス又は空気中の酸素を酸化剤として用いる燃
料電池を有する燃料電池発電システムに関し、原燃料を
改質したガスを水素ガス分離体で精製してから燃料電池
に供給することに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell power generation system having a fuel cell using hydrogen gas as a fuel and oxygen gas or oxygen in the air as an oxidant. Purification by the body before feeding to fuel cells.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、燃料のもつ化学的エネルギ
ーを燃焼させることなしに、電気化学的に直接電気エネ
ルギーに変換する装置の一種である。燃料としては還元
される化合物を用いることができるが、水素を燃料とし
て負極に用い、正極には、空気中の酸素を用いる燃料電
池が、注目されている。この燃料電池では、水素が酸素
で酸化されて水が生成するので、石油、石炭等の化石燃
料と異なって炭化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物等を発
生して空気汚染を起こすことがなく、クリーンなエネル
ギー源となるからである。また、電力を消費する場所
で、この燃料電池を用いて電力を供給するいわゆるオン
サイト発電も技術目標となっていて、発電システム、電
気自動車への応用が課題である。更に、水素ガスを燃料
として、空気中の酸素を酸化剤として用いる燃料電池
(以下、単に「燃料電池」という。)は、他の燃料を用
いる電池と比較して、発電効率も良い。
2. Description of the Related Art A fuel cell is a type of device that electrochemically converts the chemical energy of fuel directly into electrical energy without burning it. Although a compound that can be reduced can be used as the fuel, a fuel cell in which hydrogen is used as the fuel in the negative electrode and oxygen in the air is used as the positive electrode is drawing attention. In this fuel cell, hydrogen is oxidized by oxygen to produce water, so unlike fossil fuels such as petroleum and coal, it does not generate hydrocarbons, nitrogen oxides, sulfur oxides, etc. and does not cause air pollution. , Because it becomes a clean energy source. In addition, so-called on-site power generation, which supplies electric power using this fuel cell in a place that consumes electric power, is also a technical target, and its application to power generation systems and electric vehicles is a challenge. Further, a fuel cell that uses hydrogen gas as a fuel and oxygen in the air as an oxidant (hereinafter, simply referred to as “fuel cell”) has better power generation efficiency than a cell that uses another fuel.

【0003】燃料電池は正極と負極に挟まれた電解質の
種類により分類できる。電解質にリン酸水溶液を用いる
もの、イオン交換膜、即ち、固体高分子を用いるもの等
がある。前者のリン酸型では、燃料極である負極と、空
気極である正極との間には、電解液を保持するための多
孔質マトリックスが用いられる。後者のイオン交換膜型
では、イオン交換膜を両側から導電性の箔状又は網状の
電極で挟むものである。リン酸型でも、イオン交換膜型
でも、電極には触媒として白金が用いられる。例えば、
表面積を増加させるために微細になった白金粒子が、活
性炭などの担体に担持される。リン酸型では、この白金
と担体とを含有する触媒組成物が、黒鉛、カーボンシー
ト等の炭素材料からなる電極基体の表面に被覆して触媒
層を形成する。イオン交換膜型燃料電池では、固体電解
質である含水されたパーフルオロカーボンスルフォン酸
膜の両面にガス拡散電極が一体に接合された構造を有す
る。パーフルオロカーボンスルフォン酸膜は、−(CF
2n−の主鎖に[SO3 -CF2CF2O−]基等が導入さ
れているものであって、例えば、Du Pont社からの商標
名NAFION等を好適に用いることができる。なお、イオン
交換膜型では、正極側から水を除去し、負極側に水を供
給することが重要である。
Fuel cells can be classified according to the type of electrolyte sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. There are electrolytes using an aqueous phosphoric acid solution, ion exchange membranes, that is, those using a solid polymer. In the former phosphoric acid type, a porous matrix for holding an electrolytic solution is used between a negative electrode which is a fuel electrode and a positive electrode which is an air electrode. In the latter ion-exchange membrane type, the ion-exchange membrane is sandwiched by conductive foil-shaped or mesh-shaped electrodes from both sides. Platinum is used as a catalyst for the electrode regardless of whether it is a phosphoric acid type or an ion exchange membrane type. For example,
Finely divided platinum particles for increasing the surface area are supported on a carrier such as activated carbon. In the case of the phosphoric acid type, the surface of an electrode substrate made of a carbon material such as graphite or a carbon sheet is coated with the catalyst composition containing platinum and a carrier to form a catalyst layer. The ion exchange membrane fuel cell has a structure in which gas diffusion electrodes are integrally joined to both surfaces of a hydrous perfluorocarbon sulfonic acid membrane which is a solid electrolyte. The perfluorocarbon sulfonic acid film is-(CF
2) n - in the main chain - be those [SO 3 CF 2 CF 2 O- ] group or the like is introduced, for example, can be suitably used trade name NAFION like from Du Pont Company. In the ion exchange membrane type, it is important to remove water from the positive electrode side and supply water to the negative electrode side.

【0004】燃料電池の燃料となる水素は、天然ガス、
ナフサ等の炭化水素、又はメタノール等のアルコールを
改質して、水素ガスに富む燃料ガスにして用いる。天然
ガスは、主成分がメタン(約90%)であり、残りがエ
タン、プロパン、ブタン等の低級炭化水素である。これ
らの飽和炭化水素は、例えば、ニッケル触媒又はロジウ
ム触媒により、650〜800℃の温度、1〜10kg
f/cm2の圧力で、以下の反応により、水素に転換で
きる。 蒸気改質反応: CH4 + H2O → CO + 3H2 (1) シフト反応: CO + H2O → CO2 + H2 (2) 天然ガス等の炭化水素を原燃料に用いるとき、改質器で
蒸気改質反応(1)を行って一酸化炭素と水素とを含有
する改質ガスとする。通常、反応速度を高めるため、水
蒸気が過剰になるようにし、過剰の水蒸気を燃料電池シ
ステムの後段から回収する。このとき、シフト反応も少
し、進行することがある。次いで、この改質ガスに含有
する一酸化炭素を一酸化炭素変成器でシフト反応(2)
を行って二酸化炭素と水素とに変換する。また、一酸化
炭素変成器は、通常、2段となっていて、改質器で得ら
れた改質ガスは、まず、運転温度が高い、例えば約40
0℃の高温一酸化炭素変成器に導かれて、次いで、運転
温度が低い、例えば200℃の低温一酸化炭素変成器と
に導かれる。
Hydrogen used as fuel for the fuel cell is natural gas,
Hydrocarbons such as naphtha or alcohols such as methanol are reformed and used as fuel gas rich in hydrogen gas. Natural gas is mainly composed of methane (about 90%), and the rest is lower hydrocarbons such as ethane, propane and butane. These saturated hydrocarbons are, for example, at a temperature of 650 to 800 ° C., 1 to 10 kg by a nickel catalyst or a rhodium catalyst.
It can be converted into hydrogen by the following reaction at a pressure of f / cm 2 . Steam reforming reaction: CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1) Shift reaction: CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2) When hydrocarbons such as natural gas are used as raw fuel, A steam reforming reaction (1) is carried out in a pouch to obtain a reformed gas containing carbon monoxide and hydrogen. Usually, in order to increase the reaction rate, excess water vapor is made, and excess water vapor is recovered from the latter stage of the fuel cell system. At this time, the shift reaction may slightly progress. Then, the carbon monoxide contained in this reformed gas is subjected to a shift reaction in a carbon monoxide shift converter (2).
Is converted to carbon dioxide and hydrogen. Further, the carbon monoxide shifter is usually in two stages, and the reformed gas obtained in the reformer has a high operating temperature, for example, about 40 degrees.
It is directed to a 0 ° C. high temperature carbon monoxide transformer and then to a low operating temperature, eg, 200 ° C. low temperature carbon monoxide transformer.

【0005】メタノールを原燃料に用いるとき、メタノ
ールは、例えば、Cu−Zn−Al系の触媒を用いて、
200〜300℃の温度、10kgf/cm2以下の圧
力で、下記の反応により、水素に転換できる。 分解反応: CH3OH → CO + 2H2 (3) シフト反応: CO + H2O → CO2 + H2 (4) アルコールでは、1つの改質器でこの両反応を行うこと
が一般的である。なお、メタノールを原燃料とする固体
高分子型燃料電池は、電気自動車用電源として注目され
ている。
When methanol is used as a raw fuel, methanol is prepared by using, for example, a Cu--Zn--Al system catalyst.
It can be converted into hydrogen by the following reaction at a temperature of 200 to 300 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 or less. Decomposition reaction: CH 3 OH → CO + 2H 2 (3) Shift reaction: CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (4) In alcohol, it is common to carry out both these reactions in one reformer. is there. A polymer electrolyte fuel cell using methanol as a raw fuel is drawing attention as a power source for electric vehicles.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】いずれの水素生成源を
用いても、水素生成反応には一酸化炭素が関与し、燃料
電池の負極に供給される燃料ガスには、水素のみなら
ず、微量の一酸化炭素を不純物として含有する。しかし
ながら、一酸化炭素は、燃料電池に用いる電極の白金触
媒の触媒毒になり、微量の一酸化炭素が燃料電池の発電
効率を低下させる。例えば、リン酸型燃料電池では、運
転温度が190℃以下のとき、1%の一酸化炭素濃度に
より、また、運転温度が190℃以上のとき、2〜3%
の一酸化炭素濃度により、白金触媒が被毒され、発電効
率が低下することが、「燃料電池設計技術」140〜1
41頁に示されている。更に、ロス・エィ・レモンズ、
ジャーナル・オヴ・パワー・ソーシズ(J. Power Source
s) 29(1990) 251〜264では、261頁
に、固体高分子電解質型燃料電池で、水素ガス中に数p
pmの一酸化炭素が含有するときでも、燃料電池の発電
効率が低下する旨が記載されている。図8では、500
オングストロームの白金粒子が20%、炭素担体に担持
されたプロトテック社の電極PEM08を用いて、負極側の
水素圧が24psig、正極側の空気圧が60psigである場
合において、負極の水素ガス中に、一酸化炭素が含有し
ないときと、一酸化炭素が5、10、20、50及び1
00ppmの濃度で含有するときとで、電流密度と電池
起電力との関係を示す。水素ガス中に5ppmの一酸化
炭素を含有するときでも、電流密度が600〜700m
A/cm2以上のとき、電池起電力が顕著に低下するこ
とが分かる。更に、燃料ガスに水素ガス以外の二酸化炭
素、水蒸気等のガスが混入すると、燃料電池の発電効率
が低下することがある。そこで、本発明では、燃料電池
の負極に供給する燃料ガスに含有する一酸化炭素等の不
純物を除去し、燃料ガス中の水素ガス濃度を向上させる
ことを目的とする。前述のように、本効果は特に、イオ
ン交換膜を電解質とする固体高分子型燃料電池において
発揮される。
No matter which hydrogen generation source is used, carbon monoxide is involved in the hydrogen generation reaction, and the fuel gas supplied to the anode of the fuel cell contains not only hydrogen but also a trace amount. It contains carbon monoxide as an impurity. However, carbon monoxide becomes a catalyst poison of the platinum catalyst of the electrode used in the fuel cell, and a small amount of carbon monoxide reduces the power generation efficiency of the fuel cell. For example, in a phosphoric acid fuel cell, when the operating temperature is 190 ° C. or lower, the concentration of carbon monoxide is 1%, and when the operating temperature is 190 ° C. or higher, 2-3%.
Due to the carbon monoxide concentration, the platinum catalyst is poisoned and the power generation efficiency decreases.
It is shown on page 41. Furthermore, Los Ay Lemons,
Journal of Power Sources (J. Power Source
s) 29 (1990) 251-264, page 261, a solid polymer electrolyte fuel cell, a few p in hydrogen gas.
It is described that the power generation efficiency of the fuel cell decreases even when pm carbon monoxide is contained. In FIG. 8, 500
20% of angstrom platinum particles, using the PEM08 electrode of Prototech, which is supported on a carbon carrier, when the hydrogen pressure on the negative electrode side is 24 psig and the air pressure on the positive electrode side is 60 psig, in the hydrogen gas of the negative electrode, When carbon monoxide is not contained and when carbon monoxide is 5, 10, 20, 50 and 1
The relationship between the current density and the electromotive force of the battery is shown when the content is 00 ppm. The current density is 600 to 700 m even when 5 ppm of carbon monoxide is contained in hydrogen gas.
It can be seen that when A / cm 2 or more, the battery electromotive force is remarkably reduced. Furthermore, if gas other than hydrogen gas such as carbon dioxide and water vapor is mixed in the fuel gas, the power generation efficiency of the fuel cell may be reduced. Therefore, an object of the present invention is to improve the hydrogen gas concentration in the fuel gas by removing impurities such as carbon monoxide contained in the fuel gas supplied to the negative electrode of the fuel cell. As described above, this effect is particularly exerted in the polymer electrolyte fuel cell using the ion exchange membrane as the electrolyte.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、原燃料
から触媒反応により水素ガスに富む燃料ガスに変換する
燃料反応装置と、燃料ガスが負極に供給されて発電を行
う燃料電池とを有する燃料電池システムにおいて、燃料
ガスが、水素ガス分離体を透過して精製されて、精製水
素ガスとなって負極に供給され、水素ガス分離体が、ガ
ス分子が侵入できる多孔性である支持体と、支持体に被
覆するガス分離膜とを有し、ガス分離膜は、水素ガスが
溶存することができて、パラジウムを含有する合金から
構成されることを特徴とする燃料電池システムが提供さ
れる。
According to the present invention, there are provided a fuel reaction device for converting a raw fuel into a fuel gas rich in hydrogen gas by a catalytic reaction, and a fuel cell for supplying power to the negative electrode to generate electric power. In the fuel cell system having the fuel gas, the fuel gas permeates the hydrogen gas separator and is purified to be purified hydrogen gas, which is supplied to the negative electrode. The hydrogen gas separator is a porous support through which gas molecules can enter. And a gas separation membrane covering the support, wherein the gas separation membrane is capable of dissolving hydrogen gas and is composed of an alloy containing palladium. It

【0008】本発明において、負極は、水素を水素イオ
ンに変換する負極反応の触媒として、白金を含有するこ
とが好ましい。また、上記水素ガス分離体が水素精製器
の内部に配置され、その水素精製器により、上記燃料ガ
スが上記精製水素ガスとそれ以外の第2ガスに分離され
ることが好ましい。更に、上記原燃料が炭化水素であ
り、上記燃料反応装置は、炭化水素より、水素と一酸化
炭素とを含有する改質ガスが生成する改質器を有し、改
質ガスが上記水素ガス分離体に供給されることが好まし
い。このとき、水素精製器で分離された第2ガスは、水
蒸気を除去した後、改質器を加熱する燃料に用いること
ができる。また、上記原燃料が炭化水素であり、上記燃
料反応装置は、炭化水素より、水素と一酸化炭素とを含
有する改質ガスが生成する改質器と、改質ガスが供給さ
れて、改質ガスの一酸化炭素をシフト反応により、水素
ガスと二酸化炭素とに変換させて、変成ガスを生成する
一酸化炭素変成器とを有し、変成ガスが、上記水素ガス
分離体に供給されることが好ましい。更に、上記原燃料
が室温で液体であるアルコールであり、上記燃料反応装
置は、アルコールより、水素ガスと一酸化炭素と二酸化
炭素とを含有する改質ガスが生成する改質器を有し、改
質ガスが、上記水素ガス分離体に供給されることが好ま
しい。更にまた、上記燃料反応装置は、上記原燃料よ
り、少なくとも水素ガスと一酸化炭素とを含有する改質
ガスが生成する改質器を有し、当該改質器の内部に上記
水素ガス分離体が配置されていることが好ましい。更
に、上記触媒反応により、水素ガスと共に一酸化炭素が
発生し、上記精製水素ガスに含有する一酸化炭素濃度
が、精製水素ガスの容量の1000ppm以下であって
もよい。更にまた、上記燃料電池が、電解質としてイオ
ン交換膜を用いることが好ましい。
In the present invention, the negative electrode preferably contains platinum as a catalyst for the negative electrode reaction for converting hydrogen into hydrogen ions. Further, it is preferable that the hydrogen gas separator is disposed inside a hydrogen purifier, and the hydrogen purifier separates the fuel gas into the purified hydrogen gas and a second gas other than the purified hydrogen gas. Further, the raw fuel is a hydrocarbon, and the fuel reactor has a reformer that produces a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide from the hydrocarbon, and the reformed gas is the hydrogen gas. It is preferably fed to the separator. At this time, the second gas separated by the hydrogen purifier can be used as fuel for heating the reformer after removing the steam. Further, the raw fuel is a hydrocarbon, and the fuel reactor is supplied with a reformer that produces a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide from the hydrocarbon, and the reformed gas is supplied to the reformer. And a carbon monoxide shifter for converting the carbon monoxide of the natural gas by shift reaction into hydrogen gas and carbon dioxide to generate a shift gas, and the shift gas is supplied to the hydrogen gas separator. It is preferable. Further, the raw fuel is an alcohol that is a liquid at room temperature, the fuel reactor has a reformer for producing a reformed gas containing hydrogen gas, carbon monoxide and carbon dioxide from alcohol, Reforming gas is preferably supplied to the hydrogen gas separator. Furthermore, the fuel reactor has a reformer for producing a reformed gas containing at least hydrogen gas and carbon monoxide from the raw fuel, and the hydrogen gas separator is provided inside the reformer. Are preferably arranged. Further, carbon monoxide may be generated together with hydrogen gas by the catalytic reaction, and the concentration of carbon monoxide contained in the purified hydrogen gas may be 1000 ppm or less of the capacity of the purified hydrogen gas. Furthermore, it is preferable that the fuel cell uses an ion exchange membrane as an electrolyte.

【0009】[0009]

【作用】本発明の燃料電池システムによれば、燃料反応
装置と、燃料電池との間に、水素ガス分離体が備えられ
ているので、燃料反応装置で得られた水素ガスに富む燃
料ガスが、水素ガス分離体を透過して精製され、水素ガ
スの純度を高めてから、即ち、一酸化炭素等の不純物を
除去してから、燃料電池の負極に供給される。電極の白
金触媒の触媒毒になり、燃料ガスに含有する微量の一酸
化炭素を除去でき、燃料電池の発電効率が向上する。ま
た、燃料ガス中の水素ガスの純度が高まるので、燃料電
池の発電効率が向上する。
According to the fuel cell system of the present invention, since the hydrogen gas separator is provided between the fuel reaction device and the fuel cell, the fuel gas rich in hydrogen gas obtained in the fuel reaction device is generated. The hydrogen gas is permeated through the hydrogen gas separator to be purified, and the hydrogen gas is purified, that is, impurities such as carbon monoxide are removed, and then the hydrogen gas is supplied to the negative electrode of the fuel cell. It becomes a catalyst poison of the platinum catalyst of the electrode and a small amount of carbon monoxide contained in the fuel gas can be removed, and the power generation efficiency of the fuel cell is improved. Further, since the purity of hydrogen gas in the fuel gas is increased, the power generation efficiency of the fuel cell is improved.

【0010】[0010]

【実施例】交流負荷の場合の燃料電池システムの基本構
成を図4に示す。燃料電池システムは、炭化水素、アル
コール等の原燃料31を水素ガスに富む燃料ガス33に
変換する燃料反応装置32と、燃料ガス33に含有する
水素ガスと酸素ガス又は空気中の酸素とを電気化学的に
反応させて直流電力35を発生する燃料電池34と、直
流電力35を交流電力37に変換する直交変換装置36
と、燃料反応装置32、燃料電池34及び直交変換装置
36を制御する制御装置38とを有する。燃料電池から
の直流電力35は、直交変換装置36により交流電力3
7に変換されて、負荷に供給するので、負荷側の急激な
出力電圧の変化を吸収し、交流出力電圧を一定に保つこ
とができる。一方、直流負荷の場合には、直交変換装置
36を用いることなく、直流電力を直接、負荷に供給す
ることができる。次に、図4の燃料反応装置32及び燃
料電池34に相当する要素を、天然ガス、液化天然ガス
(LPG)、ナフサ等の炭化水素系の原燃料を用いると
きと、メタノール等のアルコールを用いるときとで、別
個に説明する。
EXAMPLE FIG. 4 shows the basic configuration of a fuel cell system with an AC load. The fuel cell system includes a fuel reaction device 32 that converts a raw fuel 31 such as hydrocarbon or alcohol into a fuel gas 33 rich in hydrogen gas, and a hydrogen gas contained in the fuel gas 33 and an oxygen gas or oxygen in the air. A fuel cell 34 that chemically reacts to generate DC power 35, and an orthogonal converter 36 that converts the DC power 35 into AC power 37.
And a control device 38 for controlling the fuel reaction device 32, the fuel cell 34, and the orthogonal transformation device 36. The DC power 35 from the fuel cell is converted into AC power 3 by the orthogonal converter 36.
Since it is converted into 7 and supplied to the load, it is possible to absorb a sudden change in the output voltage on the load side and keep the AC output voltage constant. On the other hand, in the case of a DC load, DC power can be directly supplied to the load without using the orthogonal transformation device 36. Next, as elements corresponding to the fuel reactor 32 and the fuel cell 34 of FIG. 4, when a hydrocarbon-based raw fuel such as natural gas, liquefied natural gas (LPG) or naphtha is used, and when alcohol such as methanol is used. It will be explained separately at times.

【0011】図1に炭化水素系の原燃料を用いるときの
本発明の燃料電池システムの一実施例であるシステム系
統図を示す。この実施例では、原燃料から触媒反応によ
り水素ガスに富む燃料ガスに変換する燃料反応装置は、
改質器4と、加熱炉6と、熱交換器10と、水分分離器
12と、水素精製器14とを要素に備えている。改質器
4は、炭化水素の原燃料を蒸気改質反応(1)により、
一酸化炭素と水素とを含有する改質ガスに改質する。こ
の蒸気改質反応は、改質器4の内部に設けられている改
質反応管4aの内部で行われ、反応管4aの内部に蒸気
改質反応(1)を触媒する触媒層を有する。反応管4a
は、加熱炉6により加熱され、反応(1)に必要な反応
熱の供給が行われる。反応管4aは温度センサ4bに接
続されることが好ましく、反応管の温度をモニタするこ
とができる。通常、水蒸気は、炭化水素より過剰になる
ようにする。
FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of the fuel cell system of the present invention when using a hydrocarbon-based raw fuel. In this example, a fuel reactor for converting a raw fuel into a fuel gas rich in hydrogen gas by a catalytic reaction is
The reformer 4, the heating furnace 6, the heat exchanger 10, the water separator 12, and the hydrogen purifier 14 are provided as elements. The reformer 4 converts the raw fuel of hydrocarbon by the steam reforming reaction (1).
Reforming into a reformed gas containing carbon monoxide and hydrogen. This steam reforming reaction is performed inside the reforming reaction tube 4a provided inside the reformer 4, and has a catalyst layer that catalyzes the steam reforming reaction (1) inside the reaction tube 4a. Reaction tube 4a
Is heated by the heating furnace 6, and the reaction heat necessary for the reaction (1) is supplied. The reaction tube 4a is preferably connected to the temperature sensor 4b so that the temperature of the reaction tube can be monitored. Usually, the water vapor is in excess of the hydrocarbon.

【0012】図示していない貯蔵タンク中の天然ガス等
の原燃料は、原燃料を供給するための原燃料供給装置1
によって、供給弁1aを介して、改質器4の内部に設け
られている改質反応管4aの内部に接続している。ま
た、水蒸気を供給するための水蒸気供給装置2は、供給
弁2aを介して、改質反応管4aの内部に接続してい
る。原燃料が硫黄を含有するとき、脱硫反応器で硫黄を
除去してから改質器4に供給することが好ましい。原燃
料が気体でなく、液体、固体のとき、気化器で原燃料を
気体にしてから、改質器4に供給することができる。
The raw fuel such as natural gas in a storage tank (not shown) is a raw fuel supply device 1 for supplying the raw fuel.
Is connected to the inside of the reforming reaction tube 4a provided inside the reformer 4 via the supply valve 1a. Further, the steam supply device 2 for supplying steam is connected to the inside of the reforming reaction pipe 4a via the supply valve 2a. When the raw fuel contains sulfur, it is preferable to remove the sulfur in the desulfurization reactor and then supply it to the reformer 4. When the raw fuel is not gas but liquid or solid, it can be supplied to the reformer 4 after being made into gas by the vaporizer.

【0013】加熱炉6は、燃料電池の負極の排ガスに含
有する残留水素が燃料供給ライン25で供給されて燃料
となるバーナを備えている。また、燃料電池システムを
始動するとき、原燃料の一部をバーナの燃料とすること
ができる。図示していない空気ブロワで取り入れられた
空気が空気供給ライン7より供給される。加熱炉6内で
燃焼した排ガスと空気極16bの排ガスは、図示してい
ないが、途中で合流し、排気塔より大気に放出すること
ができる。
The heating furnace 6 is equipped with a burner, in which the residual hydrogen contained in the exhaust gas of the negative electrode of the fuel cell is supplied through the fuel supply line 25 and becomes a fuel. Further, when starting the fuel cell system, a part of the raw fuel can be used as the fuel for the burner. Air taken in by an air blower (not shown) is supplied from the air supply line 7. Although not shown, the exhaust gas burned in the heating furnace 6 and the exhaust gas from the air electrode 16b can join together and be released into the atmosphere from the exhaust tower.

【0014】改質器4で得られた水素ガスに富む燃料ガ
スは、内部に水素ガス分離体を備えた水素精製器14に
より、精製される。燃料ガスの水素純度を例えば、99
容量%以上にすることができ、燃料ガスの一酸化濃度を
1000ppm(容量)以下にすることができる。ま
た、燃料ガスの水素純度を99.5容量%以上すること
もできる。この精製水素ガスに含有させてもよい一酸化
炭素濃度は、燃料電池の電解質の種類及び電極に依存す
る。例えば、燃料電池がイオン交換膜型では、精製水素
ガスに含有する一酸化炭素濃度が100ppm以下であ
ることが好ましく、50ppm以下であることが更に好
ましい。水素精製器に付いては後に説明する。水素ガス
分離体は、一酸化炭素濃度を100ppm以下、又は、
10ppm以下とすることができるものが知られてい
る。水素ガス分離体に付いては、後に説明する。
The hydrogen gas-rich fuel gas obtained in the reformer 4 is purified by a hydrogen purifier 14 having a hydrogen gas separator inside. The hydrogen purity of the fuel gas is, for example, 99
It can be made to be not less than volume% and the monoxide concentration of the fuel gas can be made to be 1000 ppm (volume) or less. Further, the hydrogen purity of the fuel gas can be made 99.5% by volume or more. The concentration of carbon monoxide that may be contained in this purified hydrogen gas depends on the type of electrolyte and the electrode of the fuel cell. For example, when the fuel cell is an ion exchange membrane type, the concentration of carbon monoxide contained in the purified hydrogen gas is preferably 100 ppm or less, more preferably 50 ppm or less. The hydrogen purifier will be described later. The hydrogen gas separator has a carbon monoxide concentration of 100 ppm or less, or
It is known that the content can be 10 ppm or less. The hydrogen gas separator will be described later.

【0015】一方、水素精製器14で、除去されるガス
は、水蒸気、一酸化炭素、蒸気改質反応(1)で未反応
の炭化水素、水素ガス分離体で未処理の水素等がある。
これらの混合ガスから、熱交換器10及び水分分離器1
2によって、水蒸気を凝縮して分離する。水分分離器1
2に分離した水蒸気は、循環ブロワ20を備えたリサイ
クルライン21で、改質器4に供給できる。一方、水素
分離器12で、分離された水蒸気以外のガス、即ち、一
酸化炭素、未反応の炭化水素、未処理の水素等は、ブロ
ワ22を備えたライン23により、加熱炉6に供給し、
一酸化炭素、炭化水素、水素を加熱炉の燃料にすること
ができる。このとき、一酸化炭素が酸化する反応の触媒
を用いることが好ましい。
On the other hand, the gases removed in the hydrogen purifier 14 include steam, carbon monoxide, unreacted hydrocarbons in the steam reforming reaction (1), untreated hydrogen in the hydrogen gas separator, and the like.
From these mixed gases, the heat exchanger 10 and the water separator 1
2, the water vapor is condensed and separated. Water separator 1
The steam separated into 2 can be supplied to the reformer 4 through a recycle line 21 equipped with a circulation blower 20. On the other hand, gases other than water vapor separated in the hydrogen separator 12, that is, carbon monoxide, unreacted hydrocarbons, untreated hydrogen, etc., are supplied to the heating furnace 6 by a line 23 equipped with a blower 22. ,
Carbon monoxide, hydrocarbons, and hydrogen can be used as fuel for the heating furnace. At this time, it is preferable to use a catalyst for a reaction in which carbon monoxide is oxidized.

【0016】水素精製器14で精製された水素ガスに富
む燃料ガス、即ち、精製水素ガスは、精製水素ガスライ
ン15により、燃料電池16の負極である燃料極16a
に燃料として供給する。水素精製器14における反応温
度が高く、燃料電池16の作動温度がこれより低いと
き、この精製水素ガスライン15に熱交換器を設けるこ
とができる。一方、燃料電池16の正極である空気極1
6bには、図示していない空気ブロワで取り入れられた
空気が、空気供給ライン17より供給される。燃料極1
6aから排出される排燃料ガスの一部は、燃料極循環ブ
ロア18を介して、燃料極の入口に還流され、残りの排
燃料ガスは、燃料供給ライン25により、加熱炉6に備
えられたバーナの燃焼用燃料として用いられる。空気極
の出口からは、電気化学反応で生成した水蒸気を陽極出
口ガス冷却器24で冷却して回収し、ブロワ26を備え
たライン27により、改質器4に供給できる。また、水
蒸気以外は、排ガスとして燃料電池システムの系外に排
出できる。
The fuel gas rich in hydrogen gas purified by the hydrogen purifier 14, that is, the purified hydrogen gas, is fed through the purified hydrogen gas line 15 to the fuel electrode 16a which is the negative electrode of the fuel cell 16.
As fuel. When the reaction temperature in the hydrogen purifier 14 is high and the operating temperature of the fuel cell 16 is lower than this, a heat exchanger can be provided in the purified hydrogen gas line 15. On the other hand, the air electrode 1 which is the positive electrode of the fuel cell 16
Air taken in by an air blower (not shown) is supplied to 6b from an air supply line 17. Fuel pole 1
A part of the exhaust fuel gas discharged from 6a is recirculated to the inlet of the fuel electrode through the fuel electrode circulation blower 18, and the remaining exhaust fuel gas is provided in the heating furnace 6 by the fuel supply line 25. Used as combustion fuel for burners. From the outlet of the air electrode, water vapor produced by the electrochemical reaction can be cooled and recovered by the anode outlet gas cooler 24 and supplied to the reformer 4 by a line 27 equipped with a blower 26. Except for water vapor, it can be discharged as an exhaust gas to the outside of the fuel cell system.

【0017】なお、燃料電池16には、正極16bと負
極16aに挟まれた電解質となるマトリックスを備えて
いるが、マトリックスは図1では省略してある。このマ
トリックスがリン酸であるとき、燃料電池の動作温度は
170〜220℃であるので、燃料極16aに供給する
燃料ガスもこの温度範囲の温度であることが好ましい。
また、燃料電池16の動作温度を保持するため、燃料電
池16に冷却系が設けられていることが好ましい。ま
た、燃料電池システムを停止するとき、燃料ガスを窒素
ガスで置換するために、燃料電池システムは図示してい
ない窒素ガス系統を設けている。この燃料電池システム
では、改質器4の改質管4a内での燃料ガスは例えば約
600℃であり、水素精製器14では、燃料ガスは水素
ガス分離体の動作温度の範囲内である500〜600℃
になる。改質器4と水素精製器14との間に熱交換器な
どによる温度調節が不要となる。なお、水素精製器14
には、必要であれば、コンプレッサーが設けられ、水素
精製反応に必要な圧力まで、例えば、5〜10気圧にま
で高めることができることが好ましい。水素精製器14
と燃料電池との間には、必要に応じて熱交換器を設け、
燃料電池16に供給する精製水素ガスの温度を燃料電池
の動作温度に調節する。
The fuel cell 16 is provided with a matrix serving as an electrolyte sandwiched between the positive electrode 16b and the negative electrode 16a, but the matrix is omitted in FIG. When the matrix is phosphoric acid, the operating temperature of the fuel cell is 170 to 220 ° C., so that the fuel gas supplied to the fuel electrode 16a is also preferably in this temperature range.
Further, in order to maintain the operating temperature of the fuel cell 16, it is preferable that the fuel cell 16 be provided with a cooling system. The fuel cell system is provided with a nitrogen gas system (not shown) in order to replace the fuel gas with nitrogen gas when the fuel cell system is stopped. In this fuel cell system, the fuel gas in the reforming pipe 4a of the reformer 4 is, for example, about 600 ° C., and in the hydrogen purifier 14, the fuel gas is within the operating temperature range of the hydrogen gas separator 500. ~ 600 ℃
become. There is no need to adjust the temperature between the reformer 4 and the hydrogen purifier 14 using a heat exchanger or the like. The hydrogen purifier 14
It is preferable that, if necessary, a compressor is provided so that the pressure can be increased to a pressure necessary for the hydrogen purification reaction, for example, 5 to 10 atm. Hydrogen purifier 14
A heat exchanger between the fuel cell and the fuel cell
The temperature of the purified hydrogen gas supplied to the fuel cell 16 is adjusted to the operating temperature of the fuel cell.

【0018】図2に改質器で生じた一酸化炭素を変成器
8を用いて処理するときの本発明の燃料電池システムの
一実施例であるシステム系統図を示す。このシステム系
統図は、図1と基本的に同じであり、図1に示した要素
と基本的に同一の作用効果を奏する要素は、同一の参照
符号を付して説明を省略する。改質器4で得られた改質
ガスは、一酸化炭素変成器8に接続され、上記のシフト
反応(2)により、一酸化炭素を水素に変換し、燃料ガ
スの水素ガス濃度を高め、水素精製器14に供給する。
FIG. 2 is a system diagram showing an embodiment of the fuel cell system of the present invention when carbon monoxide generated in the reformer is treated by using the shift converter 8. This system system diagram is basically the same as that of FIG. 1, and the elements having basically the same effect as the elements shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. The reformed gas obtained in the reformer 4 is connected to the carbon monoxide shift converter 8 to convert carbon monoxide into hydrogen by the above shift reaction (2) to increase the hydrogen gas concentration of the fuel gas, It is supplied to the hydrogen purifier 14.

【0019】水素精製器14で精製された燃料ガスは、
精製水素ガスライン15により、燃料電池16の負極で
ある燃料極16aに燃料として供給する。一方、水素精
製器14で、除去されるガスは、例えば、水蒸気、シフ
ト反応(2)で未反応の一酸化炭素、シフト反応(2)
で生じた二酸化炭素、水素ガス分離体で未処理の水素等
があるが、これらのガスから、熱交換器10及び水分分
離器12によって、未反応の水蒸気を凝縮して分離す
る。水分分離器12に得られた水蒸気は、循環ブロワ2
0を備えたリサイクルライン21で、改質器4に供給で
きる。一方、水素分離器12で、水蒸気以外の少量の一
酸化炭素、二酸化炭素等は、例えば、ブロワ22を備え
たライン23により、変成器8に供給できる。なお、こ
れらは、変成器8ではなく改質器4に供給してもよく、
また、燃料電池システムの系外に放出してもよい。特に
二酸化炭素は系外に放出することが好ましい。
The fuel gas refined by the hydrogen purifier 14 is
The purified hydrogen gas line 15 supplies the fuel to the fuel electrode 16a, which is the negative electrode of the fuel cell 16, as fuel. On the other hand, the gas removed in the hydrogen purifier 14 is, for example, steam, carbon monoxide that has not reacted in the shift reaction (2), and the shift reaction (2).
Although there are carbon dioxide generated in step 1 and untreated hydrogen in the hydrogen gas separator, unreacted water vapor is condensed and separated from these gases by the heat exchanger 10 and the water separator 12. The steam obtained in the water separator 12 is used as the circulation blower 2
It can be supplied to the reformer 4 in a recycle line 21 equipped with zero. On the other hand, in the hydrogen separator 12, a small amount of carbon monoxide, carbon dioxide, etc. other than water vapor can be supplied to the shift converter 8 through a line 23 equipped with a blower 22, for example. These may be supplied to the reformer 4 instead of the transformer 8.
It may also be released outside the fuel cell system. Particularly, it is preferable to release carbon dioxide to the outside of the system.

【0020】図3にメタノール等のアルコールを原燃料
として用いるときの本発明の燃料電池システムの一実施
例であるシステム系統図を示す。この実施例では、原燃
料から触媒反応により水素ガスに富む燃料ガスに変換す
る燃料反応装置は、気化器3と、改質器4と、加熱炉6
と、熱交換器10と、水分分離器12と、水素精製器1
4とを備えている。このシステム系統図は、図1と基本
的に同じであり、図1に示した技術と基本的に同一の作
用効果を奏する部分は、同一の参照符号を付して説明を
省略する。なお、ブロワ26及びライン27は、燃料電
池16の空気極16bより気化器3の気化室3aに接続
するが、図が煩雑になるので、省略した。
FIG. 3 is a system diagram showing an embodiment of the fuel cell system of the present invention when alcohol such as methanol is used as a raw fuel. In this embodiment, the fuel reactor for converting the raw fuel into the fuel gas rich in hydrogen gas by the catalytic reaction is a vaporizer 3, a reformer 4, and a heating furnace 6.
, Heat exchanger 10, moisture separator 12, and hydrogen purifier 1
4 and. This system system diagram is basically the same as that of FIG. 1, and portions that exhibit basically the same effect as the technique shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and description thereof will be omitted. The blower 26 and the line 27 are connected to the vaporization chamber 3a of the vaporizer 3 from the air electrode 16b of the fuel cell 16, but they are omitted because they are complicated.

【0021】水及び原燃料であるアルコールの混合物を
気体にするための気化器3を、改質器4の前に設けるこ
とができる。この混合物が一般に液体であるので、気体
とする方が、改質器4での反応性が向上するからであ
る。しかし、気化器3は、必ずしも必須の要素ではな
く、この混合物を直接、改質器4に供給することができ
る。気化器3は、2室に別れた熱交換器であって、一室
の気化室3aには、混合液が供給され、また、気化室3
aの出口から気化ガスが改質器4に導かれる。他方の冷
媒室3bは燃料電池16を冷却し、ポンプ28を備えた
冷媒系29に接続される。
A vaporizer 3 for vaporizing a mixture of water and alcohol as a raw fuel may be provided before the reformer 4. Since this mixture is generally a liquid, the gas in the mixture improves the reactivity in the reformer 4. However, the vaporizer 3 is not always an essential element, and this mixture can be directly supplied to the reformer 4. The vaporizer 3 is a heat exchanger divided into two chambers, and the mixed liquid is supplied to the vaporization chamber 3a which is one chamber, and the vaporization chamber 3a
The vaporized gas is guided to the reformer 4 from the outlet of a. The other refrigerant chamber 3b cools the fuel cell 16 and is connected to a refrigerant system 29 having a pump 28.

【0022】この気化器3で気化されたガスを、水素ガ
スに富むガスに改質する改質器4に導く。改質器4は、
その内部の反応管4aでアルコールの分解反応(3)及
びシフト反応(4)が同時に進行する。従って、改質器
5の後に、シフト反応のための変成器は、一般に必要で
ない。
The gas vaporized by the vaporizer 3 is introduced into a reformer 4 for reforming into a gas rich in hydrogen gas. The reformer 4 is
In the reaction tube 4a therein, the alcohol decomposition reaction (3) and the shift reaction (4) simultaneously proceed. Therefore, after the reformer 5, no shift converter for the shift reaction is generally required.

【0023】図1〜3のいずれの実施例でも、水素精製
器14として、例えば、本特許出願人による特願平4−
34407に記載する水素ガス分離装置を用いることが
できる。図5に係る水素精製器の断面図を示し、図6に
その一部拡大図を示す。高圧容器40内に、筒状で複数
本の水素ガス分離体41が収納している。各々の水素ガ
ス分離体41は、フランジ42に、水素ガス分離体41
の外径より僅かに大きい直径の貫通孔42aを介して、
水素ガス分離体の内部がフランジ42の上部空間と連通
するように、支持されている。一方、各々の水素ガス分
離体41は、フランジ43に、貫通していない孔43a
により、その端部が封孔して支持されている。水素ガス
分離体41は、セメント等の無機質接着剤でフランジ4
2、43と接着する。水素ガス分離体は、筒状の支持体
にガス分離膜が被覆する。
In any of the embodiments shown in FIGS. 1 to 3, as the hydrogen purifier 14, for example, Japanese Patent Application No.
The hydrogen gas separation device described in 34407 can be used. FIG. 5 shows a sectional view of the hydrogen purifier according to FIG. 5, and FIG. 6 shows a partially enlarged view thereof. A plurality of cylindrical hydrogen gas separators 41 are housed in the high-pressure container 40. Each of the hydrogen gas separators 41 is attached to the flange 42 with the hydrogen gas separator 41.
Through a through hole 42a having a diameter slightly larger than the outer diameter of
The inside of the hydrogen gas separator is supported so as to communicate with the upper space of the flange 42. On the other hand, each hydrogen gas separator 41 has a hole 43a that does not penetrate the flange 43.
Due to this, the end portion is sealed and supported. The hydrogen gas separator 41 is made of an inorganic adhesive such as cement and used for the flange 4
Bond with 2, 43. In the hydrogen gas separator, a tubular support is covered with a gas separation membrane.

【0024】フランジ48及び49が、支持プレート4
7を挟んで固定し、フランジ42が支持プレート47及
び部材46により固定され、水素ガス分離体41及びフ
ランジ43が吊り下げられている。図1の改質器4、図
2の変成器8又は図3の改質器4に接続する第1パイプ
50から、精製される燃料ガスが高圧容器40内に供給
される。筒状の水素ガス分離体41を透過して、筒内部
に精製された水素ガスが移動し、この精製水素ガスは、
精製水素ガスライン15に接続する第3パイプ52に導
かれる。一方、精製されなかった燃料ガスは、熱交換器
10に接続する第2パイプ51から流出する。精製され
る燃料ガスは、例えば、400〜600℃の温度で、5
〜10気圧であることが好ましい。
The flanges 48 and 49 correspond to the support plate 4
7, the flange 42 is fixed by the support plate 47 and the member 46, and the hydrogen gas separator 41 and the flange 43 are suspended. Fuel gas to be purified is supplied into the high-pressure vessel 40 from the first pipe 50 connected to the reformer 4 of FIG. 1, the shift converter 8 of FIG. 2 or the reformer 4 of FIG. After passing through the cylindrical hydrogen gas separator 41, the purified hydrogen gas moves to the inside of the cylinder, and the purified hydrogen gas is
It is guided to the third pipe 52 connected to the purified hydrogen gas line 15. On the other hand, the unrefined fuel gas flows out from the second pipe 51 connected to the heat exchanger 10. The fuel gas to be purified is, for example, at a temperature of 400 to 600 ° C.
It is preferably 10 atm.

【0025】図1、図2及び図3のいずれの実施例で
も、水素精製器14が、熱交換器10及び水分分離器1
2の上段に配置されている。しかし、熱交換器10及び
水分分離器12が、水素精製器14と燃料電池16の間
に配置していてもよい。即ち、図1及び図3では、改質
器4で生成した改質ガスは、熱交換器10及び水分分離
器12で、水蒸気を除去され、次いで、水素精製器14
により、更に精製され、燃料電池16の燃料極16aに
送られてもよい。図2では、変成器8で生成した燃料ガ
スは、熱交換器10及び水分分離器12で、水蒸気を除
去され、内部に水素ガス分離体を備えた水素精製器14
により、更に精製され、燃料電池16の燃料極16aに
送られてもよい。
In any of the embodiments shown in FIGS. 1, 2 and 3, the hydrogen purifier 14 includes a heat exchanger 10 and a water separator 1.
It is arranged in the upper two rows. However, the heat exchanger 10 and the water separator 12 may be arranged between the hydrogen purifier 14 and the fuel cell 16. That is, in FIG. 1 and FIG. 3, the reformed gas generated in the reformer 4 has steam removed by the heat exchanger 10 and the water separator 12, and then the hydrogen purifier 14
May be further purified and sent to the fuel electrode 16a of the fuel cell 16. In FIG. 2, the fuel gas generated in the shift converter 8 has its water vapor removed in the heat exchanger 10 and the water separator 12, and the hydrogen purifier 14 having a hydrogen gas separator inside is removed.
May be further purified and sent to the fuel electrode 16a of the fuel cell 16.

【0026】以上の実施例では、水素ガス分離体を備え
た水素精製器が、燃料電池システムに組み込まれた一つ
の要素となっている。しかし、本発明では、水素ガス分
離体が、改質器4、一酸化炭素変成器8、熱交換器10
及び水分分離器12などの燃料電池に燃料ガスを供給す
る系の要素に組み込まれて用いられてもよい。改質器4
又は一酸化炭素変成器8の内部に水素ガス分離体が配置
されてもよい。これにより、反応式(1)、(2)、
(3)又は(4)の右辺に生成する水素ガスが、水素ガ
ス分離体を介してこれらの反応器から放出されて、これ
らの反応式における右辺の生成系及び左辺の反応系から
なる系外から除去される。従って、化学反応(1)〜
(4)の平衡が右辺に移動し、メンブレン反応器のよう
に、水素ガスの生成が促進される。また、水分分離器の
内部に、水素ガス分離体が備えられて、水分分離器より
燃料電池に水素ガス分離体で精製された精製水素ガスを
供給してもよい。更に、本発明では、これらの要素を機
械的に接続するパイプの中に水素ガス分離体を組み込ん
でもよい。
In the above embodiments, the hydrogen purifier provided with the hydrogen gas separator is one element incorporated in the fuel cell system. However, in the present invention, the hydrogen gas separator includes the reformer 4, the carbon monoxide shift converter 8, and the heat exchanger 10.
Also, it may be used by being incorporated in an element of a system for supplying fuel gas to the fuel cell such as the water separator 12. Reformer 4
Alternatively, a hydrogen gas separator may be arranged inside the carbon monoxide shift converter 8. Thereby, the reaction formulas (1), (2),
The hydrogen gas generated on the right side of (3) or (4) is released from these reactors via the hydrogen gas separator, and is outside the system composed of the generation system on the right side and the reaction system on the left side in these reaction equations. Removed from. Therefore, chemical reaction (1)
The equilibrium of (4) moves to the right side, and the production of hydrogen gas is promoted like a membrane reactor. Further, a hydrogen gas separator may be provided inside the moisture separator, and purified hydrogen gas purified by the hydrogen gas separator may be supplied from the moisture separator to the fuel cell. Further, the present invention may incorporate hydrogen gas separators in the pipes that mechanically connect these elements.

【0027】本発明では、水素ガス分離体が、ガス分子
が侵入できる多孔性である支持体と、その支持体に被覆
するガス分離膜とを有し、ガス分離膜は、水素ガスが溶
存することができて、パラジウムを含有する合金から構
成される。ガス分離膜を構成するパラジウム又はパラジ
ウム合金は、水素ガスを固溶して透過させる公知のもの
を用いる。Japanese Membrane Science,56(1991)315-32
5:"Hydrogen Permeable Palladium - Silver Alloy Mem
brane Supported on Porous Ceramics" や特開昭63−
295402号公報に記載されているように、パラジウ
ム以外の金属の含量は10〜30重量%であることが好
ましい。パラジウムを合金化する主目的は、パラジウム
の水素脆化防止と高温時の分離効率向上のためである。
また、パラジウム以外の金属として銀を含有すること
は、パラジウムの水素脆化防止のため、好ましい。
In the present invention, the hydrogen gas separator has a porous support through which gas molecules can penetrate, and a gas separation membrane covering the support, and the gas separation membrane has hydrogen gas dissolved therein. It can be composed of an alloy containing palladium. As the palladium or palladium alloy forming the gas separation membrane, a known one that solid-dissolves and permeates hydrogen gas is used. Japanese Membrane Science, 56 (1991) 315-32
5: "Hydrogen Permeable Palladium-Silver Alloy Mem
brane Supported on Porous Ceramics "and JP-A-63-
As described in JP-A-295402, the content of metals other than palladium is preferably 10 to 30% by weight. The main purpose of alloying palladium is to prevent hydrogen embrittlement of palladium and to improve separation efficiency at high temperatures.
Further, it is preferable to contain silver as a metal other than palladium in order to prevent hydrogen embrittlement of palladium.

【0028】また、特開平3−146122号公報に記
載されているように、パラジウムと銀とを含有する薄膜
で、薄膜の厚さ方向に銀製分の濃度が比較的に均一に分
布しているものを用いることができる。特開平3−14
6122号公報には、耐熱性多孔質支持体の表面に、化
学メッキ法によりパラジウム薄膜を形成し、パラジウム
薄膜上に化学メッキ法により銀薄膜を形成し、次いで、
熱処理を行う水素ガス分離体の製造方法を開示してい
る。この製造方法では、熱処理によって、パラジウム合
金薄膜において、パラジウムと銀とが均一に分布するよ
うになっている。また、ガス分離膜の膜厚は50μm以
下が好ましく、更に好ましくは20μm以下である。厚
さが50μmを超えるとガス分離体によるガス分離のと
き、燃料ガスがガス分離膜を拡散する時間が長くなるの
で、処理時間が長時間となり、好ましくない。また、支
持体が管形状を有するとき、ガス分離膜が被覆する面
は、管の外側でも、内側でも、この両者でもよい。
Further, as described in JP-A-3-146122, in a thin film containing palladium and silver, the concentration of silver components is relatively evenly distributed in the thickness direction of the thin film. Any thing can be used. Japanese Patent Laid-Open No. 3-14
No. 6122 discloses that a palladium thin film is formed on the surface of a heat resistant porous support by a chemical plating method, a silver thin film is formed on the palladium thin film by a chemical plating method, and then,
Disclosed is a method of manufacturing a hydrogen gas separator that is heat-treated. In this manufacturing method, palladium and silver are uniformly distributed in the palladium alloy thin film by heat treatment. The thickness of the gas separation membrane is preferably 50 μm or less, more preferably 20 μm or less. When the thickness is more than 50 μm, the time required for the fuel gas to diffuse through the gas separation membrane during gas separation by the gas separator becomes long, which is not preferable because the processing time becomes long. When the support has a tubular shape, the surface covered with the gas separation membrane may be the outside, the inside, or both of the inside of the tube.

【0029】水素ガス分離体の支持体は、パラジウム薄
膜単独では機械的強度が弱いので、パラジウム薄膜を支
持する。支持体は、ガス分子が侵入できる多孔性であ
り、例えば、3次元状に連続した多数の微細な小孔を有
するものである。この孔径は、0.003〜20μmが
好ましく、更に0.005〜5μmが好ましく、更に、
0.01〜1μmが好ましい。孔径が0.003μm未
満では、ガスが通過するときの抵抗が大きくなるからで
ある。一方、孔径が20μmを超えると、ガス分離膜に
ピンホールが生じやすくなり、好ましくない。このよう
な多孔質支持体は、例えば、特開昭62−273030
号公報に記載する方法により得ることができる。支持体
を構成する材質としては、燃料ガスが反応しないもので
あることが好ましく、具体的には、アルミナ、シリカ、
シリカ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコ
ニアといったセラミックスのほか、カーボンや多孔質ガ
ラスなどのセラミックスが用いることができる。また、
支持体を構成する材質は、セラミックスに限られること
なく、燃料ガス及びパラジウムと反応しない金属であっ
て、多孔質のものを用いることができる。
The support of the hydrogen gas separator supports the palladium thin film because the palladium thin film alone has a weak mechanical strength. The support is porous so that gas molecules can penetrate therein, and has, for example, a large number of minute pores that are three-dimensionally continuous. The pore size is preferably 0.003 to 20 μm, more preferably 0.005 to 5 μm, and
0.01 to 1 μm is preferable. This is because when the pore size is less than 0.003 μm, the resistance when the gas passes increases. On the other hand, if the pore size exceeds 20 μm, pinholes are likely to occur in the gas separation membrane, which is not preferable. Such a porous support is disclosed, for example, in JP-A-62-173030.
It can be obtained by the method described in the publication. The material forming the support is preferably one in which fuel gas does not react, and specifically, alumina, silica,
In addition to ceramics such as silica-alumina, mullite, cordierite and zirconia, ceramics such as carbon and porous glass can be used. Also,
The material forming the support is not limited to ceramics, and a metal that does not react with the fuel gas and palladium and is porous can be used.

【0030】更に、本特許出願人による特願平5−73
449号では、パラジウム合金から構成されるガス分離
膜が、支持体の表面に開いている小孔の内部を充填して
閉塞する水素ガス分離体が開示される。この水素ガス分
離体では、ガス分離膜を貫通する孔から、原料ガスが精
製水素ガスに漏洩して、精製水素ガスの純度を悪化させ
難く、原料ガスを精製ガス中の一酸化炭素濃度は、10
0ppm以下にすることができ、更には、10ppm以
下にまですることができる。従って、この小孔内部を充
填・閉塞する水素ガス分離体を上記した水素精製器又は
変成器に用いると、水素精製器又は変成器と水素ガス分
離体とのシールをガスが漏洩し難くすることで、精製水
素ガス中の一酸化炭素濃度は、100ppm以下にする
ことができ、更には、10ppm以下にまですることが
できる。
Further, Japanese Patent Application No. 5-73 filed by the present applicant.
No. 449 discloses a hydrogen gas separator in which a gas separation membrane made of a palladium alloy fills and closes the inside of small holes that are open on the surface of a support. In this hydrogen gas separator, the raw material gas leaks to the purified hydrogen gas from the hole penetrating the gas separation membrane, and it is difficult to deteriorate the purity of the purified hydrogen gas. 10
It can be 0 ppm or less, and can be even 10 ppm or less. Therefore, when the hydrogen gas separator that fills / blocks the inside of this small hole is used in the above-mentioned hydrogen purifier or shift converter, it is difficult for gas to leak through the seal between the hydrogen purifier or shift converter and the hydrogen gas separator. Thus, the concentration of carbon monoxide in the purified hydrogen gas can be 100 ppm or less, and even 10 ppm or less.

【0031】図7は、固体高分子電解質燃料電池におけ
る電解質と電極の構成を説明する断面図である。電解質
であるイオン交換膜71の両側に電極が接合されるが、
図7では、片側の電極のみを示す。電極は、炭素担体7
2と、炭素担体72の表面に被覆する触媒層とを備えて
いて、触媒層は、触媒として作用する白金粒子74と、
水素イオンが伝導することができる高分子フィルム73
とからなる。イオン交換膜71の素材、及び、高分子フ
ィルム73の素材は、例えば、上記したパーフルオロカ
ーボンスルフォン酸膜を用いることができる。白金粒子
74は、対向する高分子フィルム73の間の間隙のた
め、電極に供給されるガスと接触することができる。な
お、この間隙により電極に供給されるガスはイオン交換
膜71の表面に接触することができる。また、白金粒子
74は、白金イオン交換膜71と、水素イオン伝導性の
高分子フィルム73を介して、水素イオンを伝導させる
ことができる。
FIG. 7 is a sectional view for explaining the structure of the electrolyte and the electrodes in the solid polymer electrolyte fuel cell. Electrodes are bonded to both sides of the ion exchange membrane 71 which is an electrolyte,
In FIG. 7, only one electrode is shown. The electrode is a carbon support 7
2 and a catalyst layer covering the surface of the carbon support 72, the catalyst layer comprising platinum particles 74 acting as a catalyst,
Polymer film 73 capable of conducting hydrogen ions
Consists of. As the material of the ion exchange membrane 71 and the material of the polymer film 73, for example, the above-mentioned perfluorocarbon sulfonic acid membrane can be used. The platinum particles 74 can come into contact with the gas supplied to the electrodes due to the gap between the opposing polymer films 73. The gas supplied to the electrodes through this gap can contact the surface of the ion exchange membrane 71. Moreover, the platinum particles 74 can conduct hydrogen ions through the platinum ion exchange membrane 71 and the hydrogen ion conductive polymer film 73.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明の燃料電池システムでは、燃料ガ
スを水素ガス分離体で精製してから燃料電池に供給する
ので、燃料ガスの水素濃度が高まり、また、燃料電池の
電極の触媒毒になる一酸化炭素を除去し、燃料電池の発
電効率が向上する。
In the fuel cell system of the present invention, the fuel gas is purified by the hydrogen gas separator before it is supplied to the fuel cell, so that the hydrogen concentration of the fuel gas is increased and the catalyst poison of the electrode of the fuel cell is increased. The carbon monoxide is removed to improve the power generation efficiency of the fuel cell.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の燃料電池システムの一実施例であるシ
ステム系統図を示す。
FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of a fuel cell system of the present invention.

【図2】本発明の燃料電池システムの一実施例であるシ
ステム系統図を示す。
FIG. 2 is a system diagram showing an embodiment of the fuel cell system of the present invention.

【図3】本発明の燃料電池システムの一実施例であるシ
ステム系統図を示す。
FIG. 3 is a system diagram showing an embodiment of the fuel cell system of the present invention.

【図4】燃料電池システムの基本構成を表すシステム系
統図である。
FIG. 4 is a system diagram showing the basic configuration of a fuel cell system.

【図5】本発明の燃料電池システムに用いることができ
る水素精製器を説明する断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a hydrogen purifier that can be used in the fuel cell system of the present invention.

【図6】図5の一部を拡大して説明する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a part of FIG. 5 in an enlarged manner.

【図7】固体高分子電解質燃料電池における電解質と電
極の構成を説明する断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the configurations of an electrolyte and electrodes in a solid polymer electrolyte fuel cell.

【図8】固体高分子電解質燃料電池に供給する水素ガス
中の一酸化炭素が変化する場合において、電流密度と電
池起電力との関係を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between current density and cell electromotive force when carbon monoxide in hydrogen gas supplied to a solid polymer electrolyte fuel cell changes.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・原燃料供給装置、1a・・・供給弁、2・・・水蒸気供
給装置、2a・・・供給弁、3・・・気化器、3a・・・気化
室、3b・・・冷媒室、4・・・改質器、4a・・・改質反応
管、4b・・・温度センサ、6・・・加熱炉、8・・・一酸化炭
素変成器、10・・・交換器、12・・・水分分離器、14・・
・水素精製器、15・・・精製水素ライン、16・・・燃料電
池、16a・・・燃料極、16b・・・空気極、16c・・・冷
却室、17・・・空気供給ライン、18・・・燃料極循環ブロ
ア、20・・・循環ブロワ、21・・・リサイクルライン、2
2・・・ブロワ、23・・・ライン、24・・・陽極出口ガス冷
却器、25・・・燃料供給ライン、26・・・ブロワ、27・・
・ライン、28・・・ポンプ、29・・・冷媒系、31・・・原燃
料、32・・・燃料反応装置、33・・・燃料ガス、34・・・
燃料電池、35・・・直流電力、36・・・直交変換装置、3
7・・・交流電力、38・・・制御装置、 40・・・高圧容
器、41・・・水素ガス分離体 42,43・・・フランジ、
42a・・・貫通孔、43a・・・孔、48,49・・・フラン
ジ、50・・・第1パイプ、51・・・第2パイプ、52・・・
第3パイプ、71・・・イオン交換膜、72・・・炭素担体、
73・・・高分子フィルム、74・・・白金粒子
1 ... Raw fuel supply device, 1a ... Supply valve, 2 ... Steam supply device, 2a ... Supply valve, 3 ... Vaporizer, 3a ... Vaporization chamber, 3b ... Refrigerant Chamber, 4 ... reformer, 4a ... reforming reaction tube, 4b ... temperature sensor, 6 ... heating furnace, 8 ... carbon monoxide shifter, 10 ... exchanger, 12 ... Water separator, 14 ...
-Hydrogen refiner, 15 ... Purified hydrogen line, 16 ... Fuel cell, 16a ... Fuel electrode, 16b ... Air electrode, 16c ... Cooling chamber, 17 ... Air supply line, 18 ... Fuel electrode circulation blower, 20 ... Circulation blower, 21 ... Recycle line, 2
2 ... Blower, 23 ... Line, 24 ... Anode outlet gas cooler, 25 ... Fuel supply line, 26 ... Blower, 27 ...
・ Line, 28 ... Pump, 29 ... Refrigerant system, 31 ... Raw fuel, 32 ... Fuel reactor, 33 ... Fuel gas, 34 ...
Fuel cell, 35 ... DC power, 36 ... Orthogonal converter, 3
7 ... AC power, 38 ... Control device, 40 ... High-pressure container, 41 ... Hydrogen gas separator 42, 43 ... Flange,
42a ... Through hole, 43a ... Hole, 48, 49 ... Flange, 50 ... First pipe, 51 ... Second pipe, 52 ...
Third pipe, 71 ... Ion exchange membrane, 72 ... Carbon support,
73 ... Polymer film, 74 ... Platinum particles

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】原燃料から触媒反応により水素ガスに富む
燃料ガスに変換する燃料反応装置と、当該燃料ガスが負
極に供給されて発電を行う燃料電池とを有する燃料電池
システムにおいて、 当該燃料ガスが、水素ガス分離体を透過して精製され
て、精製水素ガスとなって当該負極に供給され、 当該水素ガス分離体が、ガス分子が侵入できる多孔性で
ある支持体と、当該支持体に被覆するガス分離膜とを有
し、当該ガス分離膜は、水素ガスが溶存することができ
て、パラジウムを含有する合金から構成されることを特
徴とする燃料電池システム。
1. A fuel cell system comprising a fuel reaction device for converting a raw fuel into a fuel gas rich in hydrogen gas by a catalytic reaction, and a fuel cell in which the fuel gas is supplied to a negative electrode to generate electricity. Is permeated through the hydrogen gas separator to be purified, and is supplied to the negative electrode as purified hydrogen gas, and the hydrogen gas separator is a porous support through which gas molecules can penetrate and the support. A fuel cell system comprising: a gas separation membrane for coating; the gas separation membrane being capable of dissolving hydrogen gas, and being composed of an alloy containing palladium.
【請求項2】上記負極は、水素を水素イオンに変換する
負極反応の触媒として、白金を含有することを特徴とす
る請求項1に記載の燃料電池システム。
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the negative electrode contains platinum as a catalyst for a negative electrode reaction for converting hydrogen into hydrogen ions.
【請求項3】上記水素ガス分離体が水素精製器の内部に
配置され、当該水素精製器により、上記燃料ガスが上記
精製水素ガスとそれ以外の第2ガスに分離されることを
特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
3. The hydrogen gas separator is arranged inside a hydrogen purifier, and the hydrogen purifier separates the fuel gas into the purified hydrogen gas and a second gas other than the purified hydrogen gas. The fuel cell system according to claim 1.
【請求項4】上記原燃料が炭化水素であり、 上記燃料反応装置は、当該炭化水素より、水素と一酸化
炭素とを含有する改質ガスが生成する改質器を有し、当
該改質ガスが上記ガス分離体に供給されることを特徴と
する請求項1、2又は3に記載の燃料電池システム。
4. The raw fuel is a hydrocarbon, and the fuel reactor has a reformer for producing a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide from the hydrocarbon. Gas is supplied to the said gas separator, The fuel cell system of Claim 1, 2 or 3 characterized by the above-mentioned.
【請求項5】上記原燃料が炭化水素であり、 上記燃料反応装置は、当該炭化水素より、水素と一酸化
炭素とを含有する改質ガスが生成する改質器と、 当該改質ガスが供給されて、当該改質ガスの当該一酸化
炭素をシフト反応により、水素ガスと二酸化炭素とに変
換させて、変成ガスを生成する一酸化炭素変成器とを有
し、 当該変成ガスが、上記水素ガス分離体に供給されること
を特徴とする請求項1、2又は3に記載の燃料電池シス
テム。
5. The raw fuel is a hydrocarbon, and the fuel reactor includes a reformer for producing a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide from the hydrocarbon, and the reformed gas is And a carbon monoxide shift converter which is supplied to convert the carbon monoxide of the reformed gas into hydrogen gas and carbon dioxide by a shift reaction to generate a shift gas, wherein the shift gas is The fuel cell system according to claim 1, 2 or 3, wherein the fuel cell system is supplied to a hydrogen gas separator.
【請求項6】上記原燃料が室温で液体であるアルコール
であり、 上記燃料反応装置は、当該アルコールより、水素ガスと
一酸化炭素と二酸化炭素とを含有する改質ガスが生成す
る改質器を有し、 当該改質ガスが、上記水素ガス分離体に供給されること
を特徴とする請求項1、2又は3に記載の燃料電池シス
テム。
6. The reformer in which the raw fuel is an alcohol which is a liquid at room temperature, and the fuel reaction device produces a reformed gas containing hydrogen gas, carbon monoxide and carbon dioxide from the alcohol. The fuel cell system according to claim 1, wherein the reformed gas is supplied to the hydrogen gas separator.
【請求項7】上記燃料反応装置は、上記原燃料より、少
なくとも水素ガスと一酸化炭素とを含有する改質ガスが
生成する改質器を有し、当該改質器の内部に上記水素ガ
ス分離体が配置されていることを特徴とする請求項1又
は2に記載の燃料電池システム。
7. The fuel reactor includes a reformer for producing a reformed gas containing at least hydrogen gas and carbon monoxide from the raw fuel, and the hydrogen gas is provided inside the reformer. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein a separator is arranged.
【請求項8】上記燃料電池が、固体高分子型燃料電池で
あることを特徴とする請求項1、2又は3に記載の燃料
電池システム。
8. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.
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