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JP2003272689A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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Publication number
JP2003272689A
JP2003272689A JP2002072046A JP2002072046A JP2003272689A JP 2003272689 A JP2003272689 A JP 2003272689A JP 2002072046 A JP2002072046 A JP 2002072046A JP 2002072046 A JP2002072046 A JP 2002072046A JP 2003272689 A JP2003272689 A JP 2003272689A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
remover
water
pressure
fuel cell
reformed gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2002072046A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3700662B2 (en
Inventor
Masatoshi Iio
雅俊 飯尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2002072046A priority Critical patent/JP3700662B2/en
Publication of JP2003272689A publication Critical patent/JP2003272689A/en
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Publication of JP3700662B2 publication Critical patent/JP3700662B2/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】CO除去器内の水分の凝縮を回避して効率的な出
力を得る。 【解決手段】改質反応器4により生成された改質ガス中
の一酸化炭素を選択酸化触媒により除去するCO除去器
5と、CO除去器5の上流に設置された改質ガス中の水
分を凝縮・除去する水分除去器6と、水分除去器6とC
O除去器5の間に設置された圧力調整弁40と、水分除
去器6および前記CO除去器5を冷媒により冷却する改
質用冷却システム35と、前記圧力調整弁40を用いて
水分除去器6内の圧力を調整して、水分除去器6内での
水分の凝縮量を制御する制御手段とを備えた。
(57) [Summary] An efficient output is obtained by avoiding condensation of water in a CO remover. A CO remover (5) for removing carbon monoxide in a reformed gas generated by a reforming reactor (4) by a selective oxidation catalyst, and a moisture in the reformed gas installed upstream of the CO remover (5). Remover 6 for condensing and removing water, and moisture remover 6 and C
A pressure regulating valve 40 installed between the O remover 5, a reforming cooling system 35 for cooling the moisture remover 6 and the CO remover 5 with a refrigerant, and a moisture remover using the pressure regulator 40. Control means for controlling the pressure inside the water remover 6 and controlling the amount of water condensed in the water remover 6.

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、燃料電池システム、特
にCO除去器内の水凝縮防止手段に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to means for preventing water condensation in a CO remover.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の改質装置を備えた燃料電池システ
ムとして、特開平8−106913号公報等が提案され
ている。この発明における燃料電池システムは、燃料電
池に充填された白金触媒等の劣化の原因となる一酸化炭
素を除去するためのCO除去器上流に水分除去器を備え、
改質反応器内に設けられた変成手段から排出された改質
ガス中の余剰水分を水分除去器で除去した後、CO除去器
で一酸化炭素を除去し、再度改質ガスを加湿してから燃
料電池に供給している。
2. Description of the Related Art As a fuel cell system having a conventional reformer, Japanese Patent Laid-Open No. 8-106913 has been proposed. The fuel cell system according to the present invention includes a water remover upstream of a CO remover for removing carbon monoxide that causes deterioration of a platinum catalyst or the like filled in the fuel cell,
After removing excess water in the reformed gas discharged from the reforming means installed in the reforming reactor with a moisture remover, carbon monoxide is removed with a CO remover, and the reformed gas is humidified again. Supply to the fuel cell.

【0003】ここでは、水分除去器において改質ガス中
の余剰水分を除去するために、改質ガスを冷却して余剰
水分を凝縮する方法が採られている。また、熱交換型CO
除去器において選択酸化触媒により改質ガス中の一酸化
炭素を除去する際にも、活性温度に保つために触媒を冷
却するので同時に改質ガスも冷却される。特開平8−1
06913号公報においては、水分除去器に供給された
改質ガスおよびCO除去器に充填した触媒の冷却を、一系
統の冷却水循環系を用いて行っている。
Here, in order to remove the excess moisture in the reformed gas in the moisture remover, a method of cooling the reformed gas and condensing the excess moisture is adopted. In addition, heat exchange type CO
Even when carbon monoxide in the reformed gas is removed by the selective oxidation catalyst in the remover, the reformed gas is cooled at the same time because the catalyst is cooled to maintain the activation temperature. JP-A-8-1
In 06913, cooling of the reformed gas supplied to the moisture remover and the catalyst filled in the CO remover is performed using a single cooling water circulation system.

【0004】水分除去器に流入する、変成手段から排出
された改質ガスは余剰水蒸気を多量に含んでいるが、CO
除去器に導入される前に水分除去器を通過させることで
余剰水蒸気を凝縮回収し、CO除去器に用いられている選
択酸化触媒の表面を濡らして目詰まりを生じさせ、活性
面にガスが接触するのを妨げることを防止している。
The reformed gas discharged from the shift conversion means flowing into the moisture remover contains a large amount of surplus steam, but CO
Before being introduced into the eliminator, excess water vapor is condensed and recovered by passing through the moisture eliminator, which wets the surface of the selective oxidation catalyst used in the CO eliminator to cause clogging and gas on the active surface. Prevents from blocking contact.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら、
このような燃料電池システムにおいては、水分除去器お
よびCO除去器での改質ガスの圧力調整が、燃料電池の運
転圧を調整することによりなされるので、以下のような
問題があった。
[Problems to be solved by the invention] However,
In such a fuel cell system, since the pressure adjustment of the reformed gas in the moisture remover and the CO remover is performed by adjusting the operating pressure of the fuel cell, there are the following problems.

【0006】まず、水分除去器およびCO除去器内の改質
ガス圧力がほぼ同じであるため、水分除去器と熱交換型
CO除去器を1系統の冷却媒体で冷却した場合、CO除去
器内で水分の凝縮が起こるという問題がある。水分除去
器が十分な容量を持ち、冷却媒体と改質ガスの温度差が
ほぼなくなるまで改質ガスの温度を低下させて水蒸気量
を低下させなければ、CO除去器内でさらに改質ガス温度
が低下するので、その結果CO除去器内で水蒸気の凝縮に
よる選択酸化触媒の目詰まりが生じ、一酸化炭素の選択
酸化反応が阻害される。
First, since the reforming gas pressures in the moisture remover and the CO remover are almost the same, the moisture remover and the heat exchange type
When the CO remover is cooled by one system of cooling medium, there is a problem that water condensation occurs in the CO remover. If the moisture eliminator has sufficient capacity and the temperature of the reformed gas is not lowered to reduce the amount of water vapor until the temperature difference between the cooling medium and the reformed gas is almost eliminated, the temperature of the reformed gas is further reduced in the CO eliminator. As a result, the selective oxidation catalyst is clogged in the CO remover due to the condensation of water vapor, and the selective oxidation reaction of carbon monoxide is hindered.

【0007】また、CO除去器に流入する水分量を水分除
去器に流入する冷却水の流量により制御するため、冷却
水の循環に要する時間および水分除去器自体の熱容量分
だけ応答時間が生じる。一方、燃料電池システムを車輌
等の負荷変化の頻繁なシステムの動力源として用いた場
合には、燃料電池システム内の圧力は素早く変化する。
このため、従来の水分除去装置の応答時間では応答遅れ
を生じて、CO除去器内で水が凝縮してしまうという問題
がある。
Further, since the amount of water flowing into the CO remover is controlled by the flow rate of the cooling water flowing into the water remover, there is a response time corresponding to the time required for circulating the cooling water and the heat capacity of the water remover itself. On the other hand, when the fuel cell system is used as a power source for a system such as a vehicle in which the load changes frequently, the pressure in the fuel cell system changes rapidly.
Therefore, there is a problem in that the response time of the conventional water removing device causes a response delay and the water is condensed in the CO remover.

【0008】さらに、固体高分子形燃料電池において
は、CO除去器を含めた各改質要素に比べて燃料電池が低
温で運転されるので、十分な燃料電池の冷却量を得るた
めには、燃料電池冷却用冷媒の冷却装置を大型化して十
分な放熱量を確保する必要があるという問題がある。
Further, in the polymer electrolyte fuel cell, since the fuel cell is operated at a lower temperature than each reforming element including the CO remover, in order to obtain a sufficient cooling amount of the fuel cell, There is a problem that it is necessary to increase the size of the cooling device for the cooling medium for cooling the fuel cell to secure a sufficient amount of heat radiation.

【0009】そこで本発明はCO除去器における水分の凝
縮を回避し、また燃料電池の十分な冷却を行い、効率的
に出力を得ることのできる燃料電池システムを提供する
ことを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of avoiding the condensation of water in a CO remover, sufficiently cooling the fuel cell, and obtaining an output efficiently.

【0010】[0010]

【問題点を解決するための手段】第1の発明は、改質反
応により生成した改質ガスを燃料電池に用いて発電を行
う改質型燃料電池システムにおいて、改質ガスを生成す
る改質反応器と、前記改質反応器により生成された改質
ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒により除去するCO
除去器と、前記CO除去器の上流に設置された改質ガス
中の水分を凝縮することにより除去する水分除去器と、
前記水分除去器と前記CO除去器の間に設置された圧力
調整弁と、前記水分除去器および前記CO除去器を冷媒
により冷却する改質用冷却システムと、前記圧力調整弁
を用いて前記水分除去器内の圧力を調整することによ
り、前記水分除去器内での水分の凝縮量を制御する制御
手段とを備えた。
[Means for Solving the Problems] The first invention is a reforming fuel cell system for generating electric power by using the reformed gas produced by a reforming reaction in a fuel cell to produce reformed gas. CO for removing carbon monoxide in the reformer gas produced by the reactor and the reforming reactor by a selective oxidation catalyst
A remover and a water remover installed upstream of the CO remover for removing water by condensing the water in the reformed gas;
A pressure adjusting valve installed between the water removing device and the CO removing device, a reforming cooling system for cooling the water removing device and the CO removing device with a refrigerant, and the water content using the pressure adjusting valve. And a control means for controlling the amount of water condensed in the water remover by adjusting the pressure in the water remover.

【0011】第2の発明は、第1の発明において、前記
CO除去器の圧力と温度に基づき、前記水分除去器内の
圧力を制御する。
In a second aspect based on the first aspect, the pressure inside the moisture remover is controlled based on the pressure and temperature of the CO remover.

【0012】第3の発明は、第1の発明において、前記
CO除去器の圧力と温度に基づき、前記水分除去器内の
圧力と温度を制御する。
In a third aspect based on the first aspect, the pressure and temperature in the moisture remover are controlled based on the pressure and temperature in the CO remover.

【0013】第4の発明は、第1から3のいずれか一つ
の発明において、前記燃料電池システムの運転負荷と、
その運転負荷に応じて前記CO除去器より上流側に供給
される水分量と、前記改質反応器に供給される空気量と
から前記CO除去器に流入する改質ガス中の水分量を推
定するモデルを備え、前記モデルによる推定結果に基づ
いて前記水分除去器内の圧力を制御する。
A fourth invention is the fuel cell system according to any one of the first to third inventions, wherein:
The amount of water in the reformed gas flowing into the CO remover is estimated from the amount of water supplied to the upstream side of the CO remover and the amount of air supplied to the reforming reactor according to the operating load. And a pressure in the water remover is controlled based on the estimation result by the model.

【0014】第5の発明は、第1から4のいずれか一つ
の発明において、前記CO除去器の上流に水分凝縮を検
知する検知手段を設け、前記水分除去器の圧力を前記検
知手段の検知結果に基づいて制御する。
A fifth aspect of the invention is the fuel cell system according to any one of the first to fourth aspects of the invention, in which a detector for detecting water condensation is provided upstream of the CO remover, and the pressure of the water remover is detected by the detector. Control based on the result.

【0015】第6の発明は、第1から5のいずれか一つ
の発明において、前記燃料電池に空気を供給する発電用
空気供給装置と、前記改質反応器に空気を供給する改質
用空気供給装置と、を備え、前記発電用空気供給装置に
対して前記改質用空気供給装置を少容量高圧型にした。
A sixth aspect of the present invention is the air supply device for power generation for supplying air to the fuel cell, and the reforming air for supplying air to the reforming reactor according to any one of the first to fifth aspects. And a supply device, and the reforming air supply device is of a small capacity and high pressure type with respect to the power generation air supply device.

【0016】第7の発明は、第1から6のいずれか一つ
の発明において、前記CO除去器から排出されてから前
記燃料電池で発電に使用されるまでの間に改質ガスに水
分を供給する水供給部と、前記燃料電池を冷却する発電
用冷却システムとを備え、前記発電用冷却システムの放
熱量が不足する運転条件では、前記水分除去器の圧力を
上昇させて前記改質ガス中の水分の凝縮量を増加させる
ことにより、前記改質用冷却システムの放熱量を増加し
て前記発電用冷却システムにおける放熱量の不足を補
う。
A seventh aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to sixth aspects, wherein water is supplied to the reformed gas after being discharged from the CO remover and before being used for power generation in the fuel cell. A water supply unit for cooling the fuel cell, and under operating conditions in which the heat release amount of the power generation cooling system is insufficient, the pressure of the water remover is increased to increase the amount of the reformed gas. By increasing the amount of condensed water, the amount of heat radiation of the reforming cooling system is increased to compensate for the insufficient amount of heat radiation in the power generation cooling system.

【0017】第8の発明は、第1から7のいずれか一つ
の発明において、前記燃料電池における改質ガス圧力を
制御してから前記水分除去器の圧力を制御する。
An eighth invention is the fuel cell system according to any one of the first to seventh inventions, wherein the pressure of the reforming gas in the fuel cell is controlled and then the pressure of the water remover is controlled.

【0018】[0018]

【作用及び効果】第1の発明によれば、水分除去器内の
水分凝縮量を圧力により制御する制御手段を備えたの
で、燃料電池の運転条件が変化したときにも応答よく水
分凝縮量を増加して、CO除去器での水分凝縮を回避す
ることで、選択酸化触媒の目詰まりを防止できる。
According to the first aspect of the invention, since the control means for controlling the amount of condensed water in the moisture remover by the pressure is provided, the amount of condensed water can be controlled with good response even when the operating conditions of the fuel cell are changed. By increasing and avoiding water condensation in the CO remover, clogging of the selective oxidation catalyst can be prevented.

【0019】第2の発明によれば、CO除去器の圧力と
温度に基づき水分除去器内の圧力を調整することで、水
分除去器の圧力上昇をCO除去器で水が凝縮しない範囲
で抑えることができる。
According to the second aspect of the present invention, by adjusting the pressure inside the moisture remover based on the pressure and temperature of the CO remover, the pressure increase in the moisture remover is suppressed within the range where water does not condense in the CO remover. be able to.

【0020】第3の発明によれば、水分除去器の圧力と
温度を調整することで、圧力により応答よくCO除去器
内での水分凝縮を回避し、温度を調整することにより水
分除去器の圧力上昇を抑制することができるので、圧力
上昇のためのシステム効率低下を防止することができ
る。
According to the third aspect of the present invention, by adjusting the pressure and temperature of the water remover, it is possible to avoid the water condensation in the CO remover with good response by the pressure and adjust the temperature to adjust the temperature of the water remover. Since the pressure increase can be suppressed, it is possible to prevent the system efficiency from being lowered due to the pressure increase.

【0021】第4の発明によれば、燃料電池の運転条件
に応じて圧力調整を行うため、改質ガスに含まれる水分
量が少なく、元々水凝縮が起こらない条件では圧力調整
を省略して効率を向上させることができる。
According to the fourth aspect of the present invention, since the pressure is adjusted according to the operating conditions of the fuel cell, the pressure adjustment is omitted under the condition that the amount of water contained in the reformed gas is small and water condensation does not originally occur. The efficiency can be improved.

【0022】第5の発明によれば、水分凝縮を検知する
手段を備えることで、水分除去器の圧力調整を確実に行
うことができる。
According to the fifth aspect of the present invention, the provision of the means for detecting the condensation of water makes it possible to surely adjust the pressure of the water remover.

【0023】第6の発明によれば、発電用空気供給装置
に対して改質用空気供給装置を少容量高圧型にしたた
め、空気供給装置の動力の増加を小さく抑えることがで
きる。
According to the sixth invention, since the reforming air supply device is of a small capacity and high pressure type with respect to the power generation air supply device, an increase in power of the air supply device can be suppressed small.

【0024】第7の発明によれば、水分除去器の圧力を
上昇させて改質ガス中の水分の凝縮量を増加させること
により改質用冷却システムの放熱量を増加することで、
発電用冷却システムにおける放熱量の不足を補うことが
できる。
According to the seventh aspect of the present invention, by increasing the pressure of the moisture remover to increase the condensation amount of the moisture in the reformed gas, the heat radiation amount of the reforming cooling system is increased.
It is possible to compensate for the lack of heat radiation in the power generation cooling system.

【0025】第8の発明によれば、水分除去器内の圧力
を制御する前にまず燃料電池内における改質ガスの圧力
を調整することで、要求出力を得るために必要な燃料電
池の改質ガス運転圧力を確実に実現することができるの
で制御性が向上する。
According to the eighth aspect of the present invention, the pressure of the reformed gas in the fuel cell is first adjusted before controlling the pressure in the moisture remover, so that the fuel cell required for obtaining the required output is modified. The controllability is improved because it is possible to reliably realize the high gas operation pressure.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】第1の実施形態における燃料電池
システムの構成を図1に示す。
FIG. 1 shows the configuration of a fuel cell system according to the first embodiment.

【0027】内部加湿型の固体高分子形燃料電池2(以
下、燃料電池2)の酸素極には発電用空気供給装置であ
るブロア7より適量の空気が供給され、一方燃料極には
後述する燃料改質システムにより水素含有ガスが供給さ
れ、電極間を水素イオンが移動することにより化学エネ
ルギーを電気エネルギーに変換する。このとき、電気エ
ネルギーに変換できなかった分は熱エネルギーとして燃
料電池2の温度を上昇させる。そこで、効率的な発電を
行うために燃料電池冷媒流路31を循環する冷媒により
燃料電池2の冷却を行う。この冷媒の流量および温度
は、燃料電池冷媒流路31上に設置した燃料電池冷媒ポ
ンプ32、燃料電池冷却装置30により調整する。
An appropriate amount of air is supplied to the oxygen electrode of the internal humidification type polymer electrolyte fuel cell 2 (hereinafter referred to as fuel cell 2) from a blower 7 which is an air supply device for power generation, while the fuel electrode is described later. A hydrogen-containing gas is supplied by the fuel reforming system, and hydrogen ions move between the electrodes to convert chemical energy into electric energy. At this time, the temperature of the fuel cell 2 is raised as thermal energy for the portion that cannot be converted into electric energy. Therefore, in order to perform efficient power generation, the fuel cell 2 is cooled by the refrigerant circulating in the fuel cell refrigerant passage 31. The flow rate and temperature of the refrigerant are adjusted by the fuel cell refrigerant pump 32 and the fuel cell cooling device 30 installed on the fuel cell refrigerant passage 31.

【0028】燃料電池2からの排ガスは、排空気流路2
0および排水素ガス流路21を通り、燃焼器1に供給さ
れる。排空気流路20および排水素ガス流路21上に
は、燃料電池2のそれぞれの電極の圧力を調整する圧力
調整弁41、42と、コンデンサー22、23を設置す
る。コンデンサー22、23は後述の燃料改質システム
に水を供給する水タンク10に接続されており、燃料電
池2からの排ガス中の水分を再び燃料電池システムで利
用するために水タンク10に回収する。
Exhaust gas from the fuel cell 2 is discharged into the exhaust air flow path 2
It is supplied to the combustor 1 through 0 and the exhaust hydrogen gas passage 21. On the exhaust air flow passage 20 and the exhaust hydrogen gas flow passage 21, pressure adjusting valves 41 and 42 for adjusting the pressure of each electrode of the fuel cell 2 and capacitors 22 and 23 are installed. The condensers 22 and 23 are connected to a water tank 10 that supplies water to a fuel reforming system, which will be described later, and collect water in the exhaust gas from the fuel cell 2 in the water tank 10 for use again in the fuel cell system. .

【0029】燃焼器1に供給された排ガスは、燃焼器1
内に充填された燃焼触媒により後述する燃料改質システ
ムに必要な熱を生成した後、燃料電池システム外部に排
出される。
The exhaust gas supplied to the combustor 1 is
The combustion catalyst filled in the inside generates heat necessary for the fuel reforming system described later, and then is discharged to the outside of the fuel cell system.

【0030】次にこのような燃料電池システムに用いる
水素を含有する改質ガスを生成する燃料改質システムに
ついて説明する。
Next, a fuel reforming system for producing a reformed gas containing hydrogen used in such a fuel cell system will be described.

【0031】燃料タンク11に保有している炭化水素系
燃料、たとえばメタノールと、水タンク10に保有して
いる水をそれぞれ燃料ポンプ12、水ポンプ13によ
り、改質反応を行う改質部とシフト反応を行うシフト部
を備えた改質反応器4に供給する。改質反応器4では改
質用空気供給装置であるコンプレッサ8により加えられ
た圧力下で改質反応、シフト反応が起こり、水素リッチ
な改質ガスが生成される。このように生成された改質ガ
ス中には、燃料電池2に充填された白金触媒の劣化の原
因となる一酸化炭素が含まれている。そこで、これを除
去するために、改質反応器4の下流にCO除去器5を設
置する。
The hydrocarbon fuel, such as methanol, held in the fuel tank 11 and the water held in the water tank 10 are respectively shifted by the fuel pump 12 and the water pump 13 to perform a reforming reaction and shift. It is supplied to the reforming reactor 4 equipped with a shift section for carrying out the reaction. In the reforming reactor 4, a reforming reaction and a shift reaction occur under the pressure applied by the compressor 8 which is a reforming air supply device, and a hydrogen-rich reformed gas is generated. The reformed gas thus generated contains carbon monoxide which causes deterioration of the platinum catalyst filled in the fuel cell 2. Therefore, in order to remove this, a CO remover 5 is installed downstream of the reforming reactor 4.

【0032】CO除去器5は選択酸化触媒層と、選択触
媒層で発生した酸化熱を除去し触媒の活性温度を維持す
るための熱交換器とから形成されている。CO除去器5
内の温度は後述する冷媒流路33を循環する冷媒により
調整され、またCO除去器5内の改質ガスにはコンプレ
ッサ8により圧力が加えられる。
The CO remover 5 is composed of a selective oxidation catalyst layer and a heat exchanger for removing the heat of oxidation generated in the selective catalyst layer and maintaining the activation temperature of the catalyst. CO remover 5
The temperature inside is adjusted by the refrigerant circulating in the refrigerant passage 33 described later, and the reformed gas in the CO remover 5 is pressurized by the compressor 8.

【0033】ここで、改質反応器4で生成された改質ガ
スは水蒸気を多量に含んでおり、これをCO除去器5に
直接供給すると、CO除去器5に充填された選択酸化触
媒層で余剰水蒸気による目詰まりを生じることがある。
凝縮による目詰まりが生じると、改質ガスと接する触媒
の面積が減少し、反応が十分に行われないことがある。
この目詰まりを防ぐために、改質反応器4とCO除去器
5の間に水分除去器6を設置する。
Here, the reformed gas generated in the reforming reactor 4 contains a large amount of water vapor, and if this is directly supplied to the CO remover 5, the selective oxidation catalyst layer filled in the CO remover 5 will be described. May cause clogging due to excess steam.
If clogging due to condensation occurs, the area of the catalyst in contact with the reformed gas decreases, and the reaction may not be performed sufficiently.
In order to prevent this clogging, a water remover 6 is installed between the reforming reactor 4 and the CO remover 5.

【0034】水分除去器6を、後述する冷媒流路33を
循環する冷媒により改質ガスを冷却する熱交換器と、改
質ガス中の余剰水分を分離する気水分離器とから形成す
る。水分除去器6内を流れる冷媒の温度、流量により改
質ガス中の水分の凝縮量を調整することができる。
The moisture remover 6 is composed of a heat exchanger for cooling the reformed gas with a refrigerant circulating in a refrigerant passage 33, which will be described later, and a steam separator for separating excess moisture in the reformed gas. The condensation amount of water in the reformed gas can be adjusted by the temperature and flow rate of the refrigerant flowing in the water remover 6.

【0035】このようなCO除去器5および水分除去器
6を冷却する冷媒を一系統の冷媒流路33により供給す
る。冷媒流路33上には冷却装置35およびポンプ34
を設置し、温度・流量を調整した冷媒を水分除去器6に
供給する。冷媒は水分除去器6内で余剰水分を凝縮した
後、CO除去器5で選択酸化触媒層および改質ガスの冷
却を行い、再び冷却装置35に供給される。
The refrigerant for cooling the CO remover 5 and the water remover 6 is supplied through the one-system refrigerant flow path 33. A cooling device 35 and a pump 34 are provided on the coolant channel 33.
Is installed, and the refrigerant whose temperature and flow rate are adjusted is supplied to the water remover 6. The refrigerant condenses excess water in the water remover 6, cools the selective oxidation catalyst layer and the reformed gas in the CO remover 5, and is supplied to the cooling device 35 again.

【0036】前述のような燃料改質システムにおいて
は、水分除去器6とCO除去器5に供給される冷媒温度
がほぼ同じであるので、改質ガスが水分除去器6内で冷
媒温度にまで低下していない場合には、CO除去器5の
選択酸化触媒層内で改質ガスがさらに冷却されて水蒸気
が凝縮し、その結果、触媒の目詰まりを生じることがあ
る。そこで、本実施形態では水分除去器6とCO除去器
5の間に圧力調整弁40を設置する。この圧力調整弁4
0により、水分除去器6の圧力をCO除去器5の圧力よ
り高くすることで、CO除去器5内の水蒸気の凝縮を回
避する。
In the fuel reforming system as described above, the temperature of the refrigerant supplied to the water remover 6 and the temperature of the CO remover 5 are almost the same, so that the reformed gas in the water remover 6 reaches the refrigerant temperature. If it has not decreased, the reformed gas is further cooled in the selective oxidation catalyst layer of the CO remover 5 to condense steam, and as a result, the catalyst may be clogged. Therefore, in the present embodiment, the pressure adjusting valve 40 is installed between the water remover 6 and the CO remover 5. This pressure regulating valve 4
By setting 0 to make the pressure of the water remover 6 higher than the pressure of the CO remover 5, condensation of water vapor in the CO remover 5 is avoided.

【0037】水分除去器6内の改質ガス圧力を調整する
際に、始めに燃料電池2の燃料極からの排ガス流路であ
る排水素ガス流路21上に設置した圧力調整弁42によ
り、燃料電池2内の改質ガス圧力を、要求出力を得るた
めに必要な改質ガス圧力に調整する。同時に排空気流路
20上に設置した圧力調整弁41を、燃料電池2の空気
極が運転条件に応じた圧力となるように調整する。燃料
電池2内の改質ガス圧力が所定の圧力に達した後、水分
除去器6の下流に設置した圧力調整弁40により水分除
去器6内の改質ガス圧力を調整して水分凝縮量を調整す
る。このように、水分除去器6内の圧力を制御する前に
燃料電池2内における改質ガス圧力を制御するので、要
求出力を得るために必要な燃料電池2の改質ガス運転圧
力を確実に実現することができ、且つ、制御性を向上す
ることができる。
When adjusting the pressure of the reformed gas in the water remover 6, first, by the pressure adjusting valve 42 installed on the exhaust hydrogen gas passage 21 which is the exhaust gas passage from the fuel electrode of the fuel cell 2, The reformed gas pressure in the fuel cell 2 is adjusted to the reformed gas pressure required to obtain the required output. At the same time, the pressure adjusting valve 41 installed on the exhaust air flow path 20 is adjusted so that the air electrode of the fuel cell 2 has a pressure according to the operating conditions. After the reformed gas pressure in the fuel cell 2 reaches a predetermined pressure, the pressure of the reformed gas in the moisture remover 6 is adjusted by the pressure adjusting valve 40 installed downstream of the moisture remover 6 to reduce the amount of condensed water. adjust. In this way, the reformed gas pressure in the fuel cell 2 is controlled before controlling the pressure in the water remover 6, so that the reformed gas operating pressure of the fuel cell 2 required to obtain the required output can be ensured. It can be realized and the controllability can be improved.

【0038】次に図2および図3を用いて、水分除去器
6の圧力をCO除去器5の圧力よりも高くすることでC
O除去器内の水蒸気の凝縮を回避できる点について説明
する。図2、図3は、それぞれ従来例と本発明における
ガス温度に対する圧力(全圧および水蒸気分圧)の変化
について飽和水蒸気分圧曲線と共に示したものである。
図2、図3に共通するものとしてCO除去器5の圧力を
Pco、水分除去器6に流入するガス温度をTh、水分
除去器6により冷却された後のガス温度、すなわちCO
除去器5に流入するガス温度をTr、CO除去器内のガ
ス温度をTcoとする。一方、図3では水分除去器6の
圧力はPcoより大きいPrとしている。ここで、Tr
に比べてTcoが低くなっているのは、水分除去器内部
で改質ガスの温度は冷媒温度まで低下することはないの
で、CO除去器には温度Tr以下の冷媒が流入し、CO
除去器内の特に反応が活発でない領域で改質ガスの温度
が低下するためである。
Next, referring to FIGS. 2 and 3, by making the pressure of the moisture remover 6 higher than the pressure of the CO remover 5, C
The point that the condensation of water vapor in the O 2 remover can be avoided will be described. FIG. 2 and FIG. 3 show changes in pressure (total pressure and steam partial pressure) with respect to gas temperature in the conventional example and the present invention together with a saturated steam partial pressure curve.
2 and 3, the pressure of the CO remover 5 is Pco, the gas temperature flowing into the moisture remover 6 is Th, and the gas temperature after being cooled by the moisture remover 6, that is, CO
Let the temperature of the gas flowing into the remover 5 be Tr and the temperature of the gas in the CO remover be Tco. On the other hand, in FIG. 3, the pressure of the water remover 6 is set to Pr higher than Pco. Where Tr
The Tco is lower than that in the case where the temperature of the reformed gas does not drop to the refrigerant temperature inside the water remover, so that the refrigerant having the temperature Tr or less flows into the CO remover,
This is because the temperature of the reformed gas drops in a region where the reaction is not particularly active in the remover.

【0039】図2において温度Th、水蒸気分圧Paの
ガスが水分除去器6に流入すると、温度Trに冷却され
て水蒸気分圧は飽和水蒸気分圧Psrにまで低下する。
ところがさらにCO除去器に流入して前述した理由によ
り温度がTcoになると水蒸気分圧はPscoとなっ
て、PsrとPscoの差圧分の水蒸気がCO除去器内
で凝縮してしまう。
In FIG. 2, when a gas having a temperature Th and a steam partial pressure Pa flows into the moisture remover 6, it is cooled to a temperature Tr and the steam partial pressure is reduced to a saturated steam partial pressure Psr.
However, when the temperature further reaches the CO remover and becomes Tco due to the reason described above, the steam partial pressure becomes Psco, and the steam corresponding to the differential pressure between Psr and Psco is condensed in the CO remover.

【0040】一方、図3において水分除去器6の圧力P
rはCO除去器5の圧力Pcoより高いため、水分除去
器6に流入するガスは温度Th、水蒸気分圧Pbとなっ
ている。この時、図2と図3における、水分除去器6に
流入するガスに含まれる水蒸気と水蒸気以外のガス成分
の分圧比は同一で、図中の記号ではA:B=C:Dの関
係が成り立っている。温度Th、水蒸気分圧Pbのガス
が水分除去器6に流入すると、温度がTrに冷却されて
水蒸気分圧は飽和水蒸気分圧Psrにまで低下する。こ
の後本発明ではCO除去器に流入する前に圧力調整弁4
0が設けられていて、圧力調整弁40を通過することに
より、圧力がCO除去器5の圧力と同じPcoにまで低
下すると共に水蒸気分圧もPsrからPcにまで低下す
る。圧力調整弁40を通過する前のガスと通過した後の
ガスに含まれる水蒸気と水蒸気以外のガス成分の分圧比
は同一なので、図中の記号ではE:F=G:Hの関係が
成り立っている。このようにして温度Tr、水蒸気分圧
Pcとなったガスが、CO除去器5に流入して温度がT
coになっても、水蒸気分圧Pcは飽和水蒸気分圧Ps
co以下となるため水の凝縮は起こらない。
On the other hand, in FIG. 3, the pressure P of the water remover 6
Since r is higher than the pressure Pco of the CO remover 5, the gas flowing into the moisture remover 6 has a temperature Th and a water vapor partial pressure Pb. At this time, in FIGS. 2 and 3, the partial pressure ratios of the water vapor and the gas components other than the water vapor contained in the gas flowing into the water remover 6 are the same, and the symbols in the figures show the relationship of A: B = C: D. It is made up. When the gas having the temperature Th and the steam partial pressure Pb flows into the moisture remover 6, the temperature is cooled to Tr and the steam partial pressure is reduced to the saturated steam partial pressure Psr. After this, in the present invention, before flowing into the CO remover, the pressure regulating valve 4
0 is provided, and by passing through the pressure regulating valve 40, the pressure is reduced to Pco which is the same as the pressure of the CO remover 5, and the steam partial pressure is also reduced from Psr to Pc. Since the partial pressure ratios of water vapor and gas components other than water vapor contained in the gas before passing through the pressure regulating valve 40 and the gas after passing through the pressure regulating valve 40 are the same, the relationship of E: F = G: H is established in the symbols in the figure. There is. The gas having the temperature Tr and the water vapor partial pressure Pc in this manner flows into the CO remover 5 and the temperature becomes T.
Even if it becomes co, the steam partial pressure Pc is the saturated steam partial pressure Ps.
Since it is less than or equal to co, condensation of water does not occur.

【0041】このような制御を行うために、圧力調整弁
40の上流および下流の圧力を測定する圧力センサー5
0、51、CO除去器5に供給される冷媒の温度を測定
する温度センサー70、水分除去器6の温度を測定する
温度センサー71を設置する。また、これらの測定結果
により圧力調整弁40の開度を制御する制御手段60を
設置する。
In order to perform such control, the pressure sensor 5 for measuring the pressure upstream and downstream of the pressure regulating valve 40.
0, 51, a temperature sensor 70 that measures the temperature of the refrigerant supplied to the CO remover 5, and a temperature sensor 71 that measures the temperature of the moisture remover 6 are installed. Further, the control means 60 for controlling the opening degree of the pressure regulating valve 40 based on these measurement results is installed.

【0042】次に圧力制御手段60における燃料電池シ
ステムの制御方法を図4に示す。図4に示されるフロー
は一定間隔で繰返し実行される。まずステップS1にお
いてCO除去器圧力を圧力センサー51により測定す
る。CO除去器は圧力調整弁40の下流に位置するた
め、CO除去器圧力は圧力調整弁42により制御される
燃料電池2の運転圧力とほぼ等しく、燃料電池2の圧力
あるいはその目標値をCO除去器の圧力とすることもで
きる。ステップS2でCO除去器温度を測定する。本実
施形態ではCO除去器に流入する冷媒温度を温度センサ
ー70により測定し、CO除去器の取り得る最低温度と
して用いることにより水凝縮の発生機会を減少させてい
る。続いてステップS3では、CO除去に流入しても水
凝縮を生じない水分量、すなわち許容流入水分量を算出
する。この水分量は、CO除去器内で水の凝縮を生じな
い流入水分割合(=単位流量当たりの流入水分量)の最
大値をCO除去器の温度と圧力との関係で示した図5を
用いて、ステップS1およびS2で求めた圧力と温度か
ら求めることができる。
Next, FIG. 4 shows a control method of the fuel cell system in the pressure control means 60. The flow shown in FIG. 4 is repeatedly executed at regular intervals. First, in step S1, the CO remover pressure is measured by the pressure sensor 51. Since the CO remover is located downstream of the pressure adjusting valve 40, the CO remover pressure is almost equal to the operating pressure of the fuel cell 2 controlled by the pressure adjusting valve 42, and the pressure of the fuel cell 2 or its target value is removed by CO. It can also be the pressure of the vessel. In step S2, the temperature of the CO remover is measured. In the present embodiment, the temperature of the refrigerant flowing into the CO remover is measured by the temperature sensor 70 and used as the lowest temperature that the CO remover can take, thereby reducing the chance of water condensation. Then, in step S3, the amount of water that does not cause water condensation even when flowing into the CO removal, that is, the allowable amount of inflow water is calculated. As for this water content, the maximum value of the inflowing water content (= inflowing water content per unit flow rate) that does not cause water condensation in the CO remover is shown in FIG. 5, which shows the relationship between the temperature and pressure of the CO remover. Can be obtained from the pressure and temperature obtained in steps S1 and S2.

【0043】次にステップS4では水分除去器内温度を
温度センサー71により測定する。あるいは水分除去器
6から排出されるガス温度を測定して、水分除去器温度
と見なすこともできる。ステップS5では水分除去器を
通過する水分量が、ステップS3で求めたCO除去器の
許容流入水分量となるような水分除去器の圧力を算出す
る。この圧力は、水分除去器から排出されるガスに含ま
れる水分量割合(=単位流量当たりの通過水分量)の最
大値を水分除去器の圧力と温度との関係で示した図6を
用いて、ステップS3で求めたCO除去器の許容流入水
分量とステップS4で測定した水分除去器温度により求
めることができる。ステップS6では圧力制御弁40の
開度を、例えば圧力センサー50で測定される圧力がス
テップS5で求めた圧力となるよう調節する。圧力制御
弁40は、制御性を高める為に動作速度が速い高反応の
ものを使用するのが望ましい。
Next, in step S4, the temperature inside the moisture remover is measured by the temperature sensor 71. Alternatively, the temperature of the gas discharged from the moisture remover 6 can be measured and regarded as the temperature of the moisture remover. In step S5, the pressure of the water remover is calculated such that the amount of water passing through the water remover becomes the allowable inflow water amount of the CO remover obtained in step S3. This pressure is shown in FIG. 6, which shows the maximum value of the ratio of the amount of water contained in the gas discharged from the water remover (= the amount of water passing per unit flow rate) in relation to the pressure of the water remover and the temperature. Can be obtained from the allowable inflow water amount of the CO remover obtained in step S3 and the water remover temperature measured in step S4. In step S6, the opening degree of the pressure control valve 40 is adjusted such that the pressure measured by the pressure sensor 50 becomes the pressure obtained in step S5. As the pressure control valve 40, it is desirable to use a highly reactive valve having a high operation speed in order to enhance controllability.

【0044】このように水分除去器内の圧力を制御する
ことにより、CO除去器内での水凝縮を回避しCO除去
性能を高く維持することができる。
By controlling the pressure in the water remover in this way, it is possible to avoid water condensation in the CO remover and maintain a high CO removal performance.

【0045】また、燃料電池2にはブロア7から、改質
反応器4にはコンプレッサ8から空気を供給しているの
で、燃料電池2と改質反応器4はそれぞれ独立して圧力
を設定することができる。ここでは、改質反応器4には
高圧・小流量の空気を供給し、燃料電池2にはそれより
も低圧・大流量の空気を供給する。これにより、水分除
去器6での改質ガス圧力上昇に合わせて燃料電池2へ供
給する空気の圧力を上昇させる必要がなく、空気供給装
置(ブロア7、コンプレッサ8)の動力増加を抑えるこ
とができる。
Further, since air is supplied from the blower 7 to the fuel cell 2 and air is supplied to the reforming reactor 4 from the compressor 8, the pressures of the fuel cell 2 and the reforming reactor 4 are set independently. be able to. Here, the reforming reactor 4 is supplied with high pressure and small flow rate air, and the fuel cell 2 is supplied with lower pressure and larger flow rate air. As a result, it is not necessary to increase the pressure of the air supplied to the fuel cell 2 in accordance with the increase in the reformed gas pressure in the moisture remover 6, and it is possible to suppress the increase in power of the air supply device (blower 7, compressor 8). it can.

【0046】さらに、水分除去器6と燃料電池2の冷却
系をそれぞれ独立して設置するので、水分除去器6の冷
媒は、燃料電池2の冷媒よりも高温(例えば100℃〜
150℃)で冷却装置35において冷却されるため、例
えば大気に放熱する場合には、大気と冷媒の温度差が燃
料電池2の冷媒(例えば60〜80℃)よりも大きくな
り、冷却装置35を小型にすることができる。また、冷
却装置35における放熱を大きくすることができ、燃料
電池2の冷媒の冷却装置30からの放熱量不足を補うこ
とができる。
Further, since the water remover 6 and the cooling system of the fuel cell 2 are independently installed, the refrigerant of the water remover 6 has a higher temperature than that of the fuel cell 2 (for example, 100 ° C. to 100 ° C.).
For example, when heat is radiated to the atmosphere, the temperature difference between the atmosphere and the refrigerant becomes larger than that of the refrigerant (for example, 60 to 80 ° C.) of the fuel cell 2 and the cooling device 35 is cooled. Can be small. Further, the heat radiation in the cooling device 35 can be increased, and the shortage of the heat radiation amount of the refrigerant of the fuel cell 2 from the cooling device 30 can be compensated.

【0047】次に第2の実施形態について説明する。第
2の実施形態は図7に示すような構成で、第1の実施形
態に対して水分除去器6の冷却系とCO除去器5の冷却
系が独立している点が異なる。すなわち水分除去器の冷
却系は、冷媒流路33、ポンプ34、および冷却装置3
5とで構成され、CO除去器の冷却系は、冷媒流路3
6、ポンプ37、および冷却装置38とで構成される。
このような構成とすることで、反応に適したCO除去器
の温度に影響を与えることなく水分除去器の温度を制御
することができる。
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment has a configuration as shown in FIG. 7 and is different from the first embodiment in that the cooling system of the water remover 6 and the cooling system of the CO remover 5 are independent. That is, the cooling system of the water remover includes the refrigerant passage 33, the pump 34, and the cooling device 3.
5, and the cooling system of the CO remover includes the refrigerant flow path 3
6, a pump 37, and a cooling device 38.
With such a configuration, the temperature of the water remover can be controlled without affecting the temperature of the CO remover suitable for the reaction.

【0048】今まで説明してきた通り、水分除去器を通
過する水分量は水分除去器の圧力と温度に依存する。第
1の実施形態では、CO除去器温度を反応に適した温度
に維持するために冷却水の流量および温度は決められて
いたので、水分除去器の温度は制御することができず圧
力だけを制御した。圧力を高めるには改質器上流に位置
するコンプレッサ8の運転圧力を高めなければならない
場合も出てくるが、ところが一般に気体空気を送出する
コンプレッサは特に高圧側で液体ポンプに比べて消費す
る電力が大きい。従って運転圧力を高めた場合にシステ
ム全体の電力総消費量が大きくなってしまい、圧力増加
はシステム効率を低下させる。そこで実施形態2では水
分除去器6の冷却系をCO除去器5の冷却系と独立させ
て、水分除去器の温度を下げることによっても通過水分
量を減らすことができるようにした。従って、コンプレ
ッサ圧力を高いまま運転を継続する必要がなくなり効率
が向上すると共に、冷却水の温度が目標に達しない間は
第1の実施形態と同様、圧力を制御することで応答性が
高い水凝縮防止を行うことができる。
As described above, the amount of water passing through the water remover depends on the pressure and temperature of the water remover. In the first embodiment, since the flow rate and temperature of the cooling water are determined in order to maintain the CO remover temperature at a temperature suitable for the reaction, the temperature of the water remover cannot be controlled and only the pressure can be controlled. Controlled. In some cases, the operating pressure of the compressor 8 located upstream of the reformer must be increased in order to increase the pressure. However, in general, a compressor that sends out gaseous air consumes more power than a liquid pump, especially on the high pressure side. Is big. Therefore, when the operating pressure is increased, the total power consumption of the entire system becomes large, and the increased pressure reduces the system efficiency. Therefore, in the second embodiment, the cooling system of the water remover 6 is made independent of the cooling system of the CO remover 5 so that the amount of passing water can be reduced by lowering the temperature of the water remover. Therefore, it is not necessary to continue the operation while keeping the compressor pressure high, and the efficiency is improved, and while the cooling water temperature does not reach the target, as in the first embodiment, by controlling the pressure, water with high responsiveness is obtained. Condensation can be prevented.

【0049】図8に第2の実施形態における制御方法を
示す。図8に示されるフローは一定間隔で繰返し実行さ
れる。ステップS1からステップS6までは第1実施形
態と同一で、新たにステップS7、ステップS8が追加
されている。ステップS1からステップS6までの説明
は第1実施例と同じなので、ステップS7、ステップS
8について説明する。
FIG. 8 shows a control method according to the second embodiment. The flow shown in FIG. 8 is repeatedly executed at regular intervals. Steps S1 to S6 are the same as those in the first embodiment, and steps S7 and S8 are newly added. Since the description from step S1 to step S6 is the same as the first embodiment, step S7, step S6
8 will be described.

【0050】ステップS7では水分除去器6の目標温度
を、水分除去器6の目標圧力とCO除去器許容流入水分
量とから算出する。圧力制御弁40はできるだけ開いて
いたほうがコンプレッサ8の出力が小さくて済むので、
圧力制御弁40を開いた場合の圧力、すなわちCO除去
器5の圧力を水分除去器6の目標圧力とする。従って水
分除去器の目標温度は、ステップS1で求めたCO除去
器圧力とステップS3で求めたCO除去器許容流入水分
量とから、図6の関係を使って求めることができる。ス
テップS8では水分除去器6の温度を目標温度とするた
めに、予め決められた制御量に基づいてポンプ34ある
いは冷却装置35を制御することにより、冷媒の流量あ
るいは温度を低下させる。
In step S7, the target temperature of the water remover 6 is calculated from the target pressure of the water remover 6 and the allowable amount of water flowing into the CO remover. If the pressure control valve 40 is opened as much as possible, the output of the compressor 8 can be small.
The pressure when the pressure control valve 40 is opened, that is, the pressure of the CO remover 5 is set as the target pressure of the moisture remover 6. Therefore, the target temperature of the water remover can be obtained from the CO remover pressure obtained in step S1 and the CO remover allowable inflow water amount obtained in step S3 using the relationship of FIG. In step S8, in order to bring the temperature of the water remover 6 to the target temperature, the flow rate or temperature of the refrigerant is reduced by controlling the pump 34 or the cooling device 35 based on a predetermined control amount.

【0051】このように制御することで、コンプレッサ
圧力を高いまま運転を継続する必要がなくなるので、効
率向上と応答性が高い水凝縮防止の両立を図ることがで
きる。
By controlling in this manner, it is not necessary to continue the operation while keeping the compressor pressure high, and therefore it is possible to improve efficiency and prevent water condensation with high response.

【0052】次に第3の実施形態について説明する。第
3の実施形態の構成は、第1の実施形態(図1)あるい
は第2の実施形態(図7)と同じである。第3の実施形
態ではガスに含まれる水分量を改質反応モデルによって
推定し、推定された水分量がCO除去器の許容水分量以
下である場合にはCO除去装置の水凝縮防止制御を行わ
ないことに特徴がある。このように制御することで、元
々CO除去器に流入する水分量が許容流入水分量よりも
少なく水凝縮防止制御が不要である場合に、水分凝縮器
の圧力上昇に必要なコンプレッサや温度低下に必要な冷
却水ポンプあるいは冷却装置が無駄に動作しないように
して効率を高めることができる。
Next, a third embodiment will be described. The configuration of the third embodiment is the same as that of the first embodiment (FIG. 1) or the second embodiment (FIG. 7). In the third embodiment, the amount of water contained in the gas is estimated by the reforming reaction model, and when the estimated amount of water is less than or equal to the allowable amount of water of the CO remover, the water condensation prevention control of the CO remover is performed. It is characterized by not having it. By controlling in this manner, when the amount of water originally flowing into the CO remover is smaller than the allowable amount of inflow water and the water condensation prevention control is unnecessary, it is possible to reduce the compressor and temperature required for increasing the pressure of the water condenser. Efficiency can be improved by preventing unnecessary cooling water pumps or cooling devices from operating in vain.

【0053】図9に本実施形態の制御フロー図を示す。
本フローは一定間隔で繰返し実行される。ステップS1
からステップS8までは第2の実施形態(図8)と同一
で、新たにステップS9とステップS10が追加されて
いる。ステップS1からステップS8までの説明は第2
の実施形態と同じなので、ステップS9およびステップ
S10について説明する。
FIG. 9 shows a control flow chart of this embodiment.
This flow is repeatedly executed at regular intervals. Step S1
The steps from step S8 to step S8 are the same as those in the second embodiment (FIG. 8), and step S9 and step S10 are newly added. The explanation from step S1 to step S8 is the second
Since it is the same as the embodiment described above, step S9 and step S10 will be described.

【0054】ステップS9では改質反応モデルを用い
て、改質ガスに含まれる水分量Wを算出する。改質ガス
に含まれる水分量Wを算出する方法について、図10を
用いて説明する。
In step S9, the water content W contained in the reformed gas is calculated using the reforming reaction model. A method for calculating the water content W contained in the reformed gas will be described with reference to FIG.

【0055】まず改質反応により消費する水分量を算出
する。改質反応器4に供給する空気中に含まれる酸素量
O2、また改質反応器4に供給される燃料に含まれる炭
素量WCを燃料電池システムに要求される運転条件から
算出する。この結果から図11のような改質反応モデル
を用いて改質反応で消費する水分量W2を推定する。
First, the amount of water consumed by the reforming reaction is calculated. The oxygen amount W O2 contained in the air supplied to the reforming reactor 4 and the carbon amount W C contained in the fuel supplied to the reforming reactor 4 are calculated from the operating conditions required for the fuel cell system. From this result, the amount of water W 2 consumed in the reforming reaction is estimated using the reforming reaction model as shown in FIG.

【0056】次に、シフト反応により消費する水分量を
算出する。図11において、酸素量WO2と炭素量WC
り改質反応において生成される一酸化炭素量WCOを求め
る。これと、改質反応器運転負荷を用いて、図12のよ
うなシフト反応モデルからシフト反応に必要な水分量W
3を推定する。
Next, the amount of water consumed by the shift reaction is calculated. In FIG. 11, the carbon monoxide amount W CO produced in the reforming reaction is determined from the oxygen amount W O2 and the carbon amount W C. Using this and the reforming reactor operation load, the amount of water W required for the shift reaction from the shift reaction model as shown in FIG.
Estimate 3 .

【0057】また、改質反応器4に供給する水分量W1
およびその他水分除去器6に供給されるまでに供給され
る水分量W4を燃料電池システムに要求される運転条件
から算出し、これらより水分除去器6に供給される改質
ガス中に含まれる水分量Wを下式により算出する。
The amount of water supplied to the reforming reactor 4 W 1
In addition, the amount W 4 of water supplied until it is supplied to the water remover 6 is calculated from the operating conditions required for the fuel cell system, and included in the reformed gas supplied to the water remover 6 from these. The water content W is calculated by the following formula.

【0058】[0058]

【式1】 続いて、ステップS10でガスに含まれる水分量WとC
O除去器許容流入水分量を比較する。もしガスに含まれ
る水分量WがCO除去器許容流入水分量を上回っている
場合には、ステップS4以降に進み前述の水凝縮防止制
御を継続する。一方、ガスに含まれる水分量WがCO除
去器許容流入水分量以下の場合には、水凝縮防止制御を
行わない。このようにして水凝縮防止制御が不要な場合
を予め判断して、無駄な動作を行わせないようにするこ
とで効率を高めることができる。
[Formula 1] Then, in step S10, the water contents W and C contained in the gas are
Compare the allowable inflow water amount of O 2 remover. If the water content W contained in the gas exceeds the CO removal device allowable inflow water content, the process proceeds to step S4 and subsequent steps to continue the water condensation prevention control. On the other hand, when the water content W contained in the gas is equal to or less than the CO inflow allowable water content of the CO remover, the water condensation prevention control is not performed. In this way, it is possible to improve efficiency by preliminarily determining the case where the water condensation prevention control is unnecessary and preventing unnecessary operation.

【0059】第4の実施形態における燃料電池システム
の構成を図13に示す。
The structure of the fuel cell system according to the fourth embodiment is shown in FIG.

【0060】圧力調整弁40とCO除去器5の間に、C
O除去器5内で水凝縮を発生させる改質ガスの水分濃度
よりも低い濃度から水凝縮を検知し始める水分凝縮セン
サー80を設ける。このセンサー80としては、例え
ば、CO除去器5より低い温度で管理された改質ガスの
バイパス経路において、凝縮水が付着した場合に熱線の
抵抗が変化することで、水分凝縮の検知を行う等の方法
が考えられる。
Between the pressure adjusting valve 40 and the CO remover 5, C
A moisture condensation sensor 80 that starts detecting water condensation from a concentration lower than the moisture concentration of the reformed gas that causes water condensation in the O remover 5 is provided. As the sensor 80, for example, in the bypass passage of the reformed gas controlled at a temperature lower than that of the CO remover 5, when condensed water adheres, the resistance of the heat ray changes to detect water condensation, etc. The method of can be considered.

【0061】これにより、水分凝縮センサー80で水分
が凝縮する場合を検知できるため、改質反応器4におけ
る改質反応やシフト反応を行う触媒の性能が低下した場
合においても、CO除去器5で水分が凝縮するのを確実
に回避することができる。
As a result, the case where water is condensed can be detected by the water condensation sensor 80. Therefore, even when the performance of the catalyst for carrying out the reforming reaction or shift reaction in the reforming reactor 4 is deteriorated, the CO remover 5 is used. Condensation of water can be surely avoided.

【0062】第5の実施形態における燃料電池システム
の構成を図14に示す。
FIG. 14 shows the configuration of the fuel cell system according to the fifth embodiment.

【0063】第1の実施形態の燃料電池システムにおい
て、燃料電池2を冷却する冷媒の温度を検知する温度セ
ンサー72を設け、検知した冷媒温度から燃料電池2の
運転温度が上限設定を超えているかどうかを判断する。
上限設定を超えていると判断した場合には、圧力調整弁
40を調整して水分除去器6の改質ガス圧力を増大さ
せ、CO除去器5および燃料電池2に流入する水分量を
低減する。燃料電池2へ供給される改質ガスの水分減少
により発電効率が低下するが、CO除去器5の下流に改
質ガスに水分を供給する手段、たとえば、本実施形態で
は燃料電池2を内部加湿型とすることで発電効率の低下
を抑制できる。
In the fuel cell system of the first embodiment, a temperature sensor 72 for detecting the temperature of the refrigerant for cooling the fuel cell 2 is provided, and whether the operating temperature of the fuel cell 2 exceeds the upper limit setting based on the detected refrigerant temperature. Determine whether
When it is determined that the upper limit setting is exceeded, the pressure adjusting valve 40 is adjusted to increase the reforming gas pressure of the water remover 6 and reduce the amount of water flowing into the CO remover 5 and the fuel cell 2. . Although the power generation efficiency is reduced due to the decrease in water content of the reformed gas supplied to the fuel cell 2, a means for supplying water to the reformed gas downstream of the CO remover 5, for example, in the present embodiment, the fuel cell 2 is internally humidified. By using a mold, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency.

【0064】このように燃料電池2に流入する水分量を
低減することで改質ガスの熱容量が減少し、燃料電池2
に流入する熱量が減少するので、燃料電池2の温度を低
下させて性能低下を防ぐことができる。このとき、燃料
電池冷却装置30による放熱が減少するが、冷媒流路3
3を循環する冷媒に対する水分除去器6の放熱量が増加
し、それに伴い冷却装置35における放熱量も増加する
ので、冷却装置30における放熱量の減少を補うことが
できる。また、コンデンサー22、23における水分の
回収量も減少するが、同様に水分除去器6で凝縮した水
により補うことができる。
By reducing the amount of water flowing into the fuel cell 2 in this way, the heat capacity of the reformed gas is reduced, and the fuel cell 2
Since the amount of heat flowing into the fuel cell 2 decreases, it is possible to lower the temperature of the fuel cell 2 and prevent the performance from deteriorating. At this time, although the heat radiation by the fuel cell cooling device 30 is reduced,
Since the heat radiation amount of the moisture remover 6 with respect to the refrigerant circulating through 3 increases, and the heat radiation amount of the cooling device 35 also increases accordingly, the decrease of the heat radiation amount of the cooling device 30 can be compensated. Further, although the amount of water collected in the condensers 22 and 23 is also reduced, it can be similarly compensated by the water condensed in the water remover 6.

【0065】なお、本発明は、上記の実施形態に限定さ
れるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術思想
の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもな
い。
It is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiment, and various changes can be made within the scope of the technical idea described in the claims.

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

【図1】第1の実施形態における燃料電池システムの構
成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment.

【図2】従来例における改質ガスの温度と圧力の変化を
示した図である。
FIG. 2 is a diagram showing changes in temperature and pressure of reformed gas in a conventional example.

【図3】第1の実施形態における改質ガスの温度と圧力
の変化を示した図である。
FIG. 3 is a diagram showing changes in the temperature and pressure of the reformed gas in the first embodiment.

【図4】第1の実施形態における燃料電池システムの制
御方法を示すフローチャートである。
FIG. 4 is a flowchart showing a control method of the fuel cell system in the first embodiment.

【図5】CO除去器許容流入水分量の割合をCO除去器
の圧力と温度との関係で示した図である。
FIG. 5 is a diagram showing the ratio of the allowable inflowing water amount of the CO remover as a relationship between the pressure and temperature of the CO remover.

【図6】水分除去器通過水分量の割合を水分除去器の圧
力と温度との関係で示した図である。
FIG. 6 is a diagram showing the ratio of the amount of water passing through the water remover in relation to the pressure and temperature of the water remover.

【図7】第2の実施形態における燃料電池システムの構
成図である。
FIG. 7 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment.

【図8】第2の実施形態における燃料電池システムの制
御方法を示すフローチャートである。
FIG. 8 is a flowchart showing a control method of the fuel cell system in the second embodiment.

【図9】第3の実施形態における燃料電池システムの制
御方法を示すフローチャートである。
FIG. 9 is a flowchart showing a control method of the fuel cell system in the third embodiment.

【図10】第3の実施形態における改質ガス中の水分量
の算出方法を示す
FIG. 10 shows a method for calculating the amount of water in the reformed gas according to the third embodiment.

【図11】第3の実施形態における改質反応の反応モデ
ルである。
FIG. 11 is a reaction model of a reforming reaction in the third embodiment.

【図12】第3の実施形態におけるシフト反応の反応モ
デルである。
FIG. 12 is a reaction model of a shift reaction in the third embodiment.

【図13】第4の発明における燃料電池システムの構成
図である。
FIG. 13 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a fourth invention.

【図14】第5の発明における燃料電池システムの構成
図である。
FIG. 14 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a fifth invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 燃料電池 4 改質反応器 5 CO除去器 6 水分除去器 7 ブレア(発電用空気供給装置) 8 コンプレッサ(改質用空気供給装置) 30 燃料電池冷却装置(発電用冷却システム) 35 冷却装置(改質用冷却システム) 40 圧力調整弁 60 制御手段 80 水分凝縮センサー(検知手段) 70〜72 温度センサー 2 Fuel cell 4 reforming reactor 5 CO remover 6 Moisture eliminator 7 Blair (Air supply device for power generation) 8 Compressor (reforming air supply device) 30 Fuel cell cooling device (cooling system for power generation) 35 Cooling device (reforming cooling system) 40 Pressure control valve 60 control means 80 Water condensation sensor (detection means) 70-72 Temperature sensor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/04 H01M 8/04 P // H01M 8/10 8/10 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 8/04 H01M 8/04 P // H01M 8/10 8/10

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】改質反応により生成した改質ガスを燃料電
池に用いて発電を行う改質型燃料電池システムにおい
て、 改質ガスを生成する改質反応器と、 前記改質反応器により生成された改質ガス中の一酸化炭
素を選択酸化触媒により除去するCO除去器と、 前記CO除去器の上流に設置された改質ガス中の水分を
凝縮することにより除去する水分除去器と、 前記水分除去器と前記CO除去器の間に設置された圧力
調整弁と、 前記水分除去器および前記CO除去器を冷媒により冷却
する改質用冷却システムと、 前記圧力調整弁を用いて前記水分除去器内の圧力を調整
することにより、前記水分除去器内での水分の凝縮量を
制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池
システム。
1. A reforming fuel cell system for generating power using a reformed gas produced by a reforming reaction in a fuel cell, the reforming reactor producing reformed gas, and the reforming reactor produced. A CO remover for removing carbon monoxide in the reformed gas by a selective oxidation catalyst; a moisture remover installed upstream of the CO remover by condensing moisture in the reformed gas; A pressure adjusting valve installed between the water remover and the CO remover, a reforming cooling system for cooling the water remover and the CO remover with a refrigerant, and the water content using the pressure adjusting valve. A fuel cell system comprising: a controller for controlling the amount of condensation of water in the water remover by adjusting the pressure in the water remover.
【請求項2】前記CO除去器の圧力と温度に基づき、前
記水分除去器内の圧力を制御する請求項1に記載の燃料
電池システム。
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressure in the moisture remover is controlled based on the pressure and temperature of the CO remover.
【請求項3】前記CO除去器の圧力と温度に基づき、前
記水分除去器内の圧力と温度を制御する請求項1に記載
の燃料電池システム。
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressure and temperature in the moisture remover are controlled based on the pressure and temperature in the CO remover.
【請求項4】前記燃料電池システムの運転負荷と、その
運転負荷に応じて前記CO除去器より上流側に供給され
る水分量と、前記改質反応器に供給される空気量とから
前記CO除去器に流入する改質ガス中の水分量を推定す
るモデルを備え、 前記モデルによる推定結果に基づいて前記水分除去器内
の圧力を制御する請求項1から3のいずれか一つに記載
の燃料電池システム。
4. The CO based on the operating load of the fuel cell system, the amount of water supplied upstream of the CO remover according to the operating load, and the amount of air supplied to the reforming reactor. The model which estimates the water content in the reformed gas which flows into a removal device is provided, and the pressure in the said water removal device is controlled based on the estimation result by the said model. Fuel cell system.
【請求項5】前記CO除去器の上流に水分凝縮を検知す
る検知手段を設け、 前記水分除去器の圧力を前記検知手段の検知結果に基づ
いて制御する請求項1から4のいずれか一つに記載の燃
料電池システム。
5. A detection means for detecting water condensation is provided upstream of the CO remover, and the pressure of the water remover is controlled based on the detection result of the detection means. The fuel cell system according to 1.
【請求項6】前記燃料電池に空気を供給する発電用空気
供給装置と、 前記改質反応器に空気を供給する改質用空気供給装置
と、を備え、 前記発電用空気供給装置に対して前記改質用空気供給装
置を少容量高圧型にした請求項1から5のいずれか一つ
に記載の燃料電池システム。
6. A power generation air supply device for supplying air to the fuel cell, and a reforming air supply device for supplying air to the reforming reactor. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the reforming air supply device is of a small capacity and high pressure type.
【請求項7】前記CO除去器から排出されてから前記燃
料電池で発電に使用されるまでの間に改質ガスに水分を
供給する水供給部と、前記燃料電池を冷却する発電用冷
却システムとを備え、前記発電用冷却システムの放熱量
が不足する運転条件では、前記水分除去器の圧力を上昇
させて前記改質ガス中の水分の凝縮量を増加させること
により、前記改質用冷却システムの放熱量を増加して前
記発電用冷却システムにおける放熱量の不足を補う請求
項1から6のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. A water supply unit for supplying moisture to the reformed gas between the time when the fuel cell is discharged from the CO remover and the time when the fuel cell is used for power generation, and a power generation cooling system for cooling the fuel cell. In an operating condition in which the amount of heat released from the cooling system for power generation is insufficient, the pressure of the water remover is increased to increase the amount of water condensed in the reformed gas. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein a heat radiation amount of the system is increased to compensate for a shortage of the heat radiation amount in the power generation cooling system.
【請求項8】前記燃料電池における改質ガス圧力を制御
してから前記水分除去器の圧力を制御する請求項1から
7のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
8. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressure of the reforming gas in the fuel cell is controlled and then the pressure of the water remover is controlled.
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