JPH0963618A - Fuel cell system - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、原料を改質して
水素を製造し、得られた水素を燃料電池に供給して発電
を行う燃料電池システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system that reforms a raw material to produce hydrogen and supplies the obtained hydrogen to a fuel cell to generate electricity.
【0002】[0002]
【従来の技術】燃料電池システムとして、例えば加熱器
によって蒸発器を加熱し、この蒸発器で気化した原料を
触媒層に供給するようにした改質装置により、原料を改
質して水素を製造し、得られた水素を燃料電池に供給し
て発電を行うものがある。2. Description of the Related Art As a fuel cell system, for example, a reformer that heats an evaporator by a heater and supplies the vaporized raw material to the catalyst layer to reform the raw material to produce hydrogen. Then, the hydrogen obtained is supplied to a fuel cell to generate electricity.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】この燃料電池システム
では、燃料電池のセルの燃料利用効率が通常20〜90
%である。これは、燃料電池システムまたは燃料電池の
セルの発電効率または運転時の経済性を考慮して決めら
れている。従って、改質装置が処理する原料の流量は、
燃料電池のセルで消費される正味の流量よりも大きいも
のとなっている。In this fuel cell system, the fuel utilization efficiency of the cells of the fuel cell is usually 20 to 90.
%. This is determined in consideration of the power generation efficiency of the fuel cell system or the cells of the fuel cell or the economical efficiency during operation. Therefore, the flow rate of the raw material processed by the reformer is
It is higher than the net flow rate consumed by the fuel cell.
【0004】また、定常発電時は、反応ガスを燃料電池
のセルで消費するよりも過剰に製造し、加熱器の燃料と
するのが一般的である。During steady-state power generation, it is common to produce the reaction gas in excess of that consumed in the cells of the fuel cell and use it as fuel for the heater.
【0005】さらに、反応ガス中に含まれるCOは、燃
料電池のセルの触媒を被毒してセルの性能を低下させ
る。そのために、改質装置は転化率が高いことが要求さ
れる。このため、触媒量を反応のために充分に確保する
必要があった。従って、改質装置はセルで必要とする流
量よりも多い量を、高い転化率で処理する必要があっ
た。Further, the CO contained in the reaction gas poisons the catalyst of the cell of the fuel cell and deteriorates the performance of the cell. Therefore, the reformer is required to have a high conversion rate. Therefore, it was necessary to secure a sufficient amount of catalyst for the reaction. Therefore, the reformer had to process more than the flow rate required in the cell with a high conversion.
【0006】また、反応を進めるためには、熱を与える
必要があるが、触媒の耐熱レベルが低く、入口側は吸
熱、出口側は発熱となるため温度分布が不均一になり易
い。このため、改質装置が大型化し、構造が複雑になっ
た。よって、例えば、自動車に搭載されるような燃料電
池システムでは、小型の移動用には向かない等の問題が
ある。Further, in order to proceed the reaction, it is necessary to apply heat, but since the heat resistance level of the catalyst is low, heat is absorbed on the inlet side and heat is generated on the outlet side, so that the temperature distribution tends to be uneven. For this reason, the reformer becomes large and the structure becomes complicated. Therefore, for example, a fuel cell system mounted on an automobile has a problem that it is not suitable for small-sized mobile use.
【0007】また、燃料電池では、起動から定常までは
水過剰気味、定常状態では水不足、発電終了から停止ま
では水過剰気味となる。このため、それぞれの運転モー
ドに合わせた複雑な水供給制御が必要であった。特に、
起動時は、燃料電池のセルの温度上昇にともなうイオン
交換膜の周辺の湿度変化が大きく、外部から水を供給し
ても、燃料電池のセルが冷えているために水蒸気が途中
でガス通路に凝縮してしまい、電極基材のイオン交換膜
を充分に加湿できなかった。このように、湿度制御が困
難なことが、燃料電池のセルの性能が劣化したり、発電
初期にセル性能が充分に出せない原因にもなっていた。
また、多量の水を必要としたし、それによるガス通路閉
塞などの悪影響も発生した。Further, in the fuel cell, there is an excess of water from the start to the steady state, a water shortage in the steady state, and an excess of water from the end of power generation to the stop. For this reason, complicated water supply control according to each operation mode was required. Especially,
At the time of startup, the humidity around the ion exchange membrane changes greatly with the temperature rise of the fuel cell, and even if water is supplied from the outside, the fuel cell is still cold and water vapor enters the gas passage midway. It was condensed and the ion exchange membrane of the electrode substrate could not be sufficiently humidified. As described above, the difficulty in controlling the humidity has been a cause of deterioration in the performance of the cells of the fuel cell or insufficient cell performance at the initial stage of power generation.
In addition, a large amount of water was required, and the resulting adverse effects such as gas passage blockage occurred.
【0008】また、移動用に用いた場合、燃料電池のセ
ルに必要とされる水の供給量は、負荷レベル、セル温度
などにより激しく変動する。一方、加湿量は、その変化
の速さに対応できない。そのため、加湿量を適正に制御
することが困難であった。When used for transportation, the amount of water required for the cells of the fuel cell fluctuates drastically depending on the load level, cell temperature and the like. On the other hand, the amount of humidification cannot cope with the speed of change. Therefore, it is difficult to properly control the humidification amount.
【0009】さらに、加湿不足とならないように、水を
変動の最高値で供給すると水分過剰となり、電極基材で
あるカーボンペーパーの細孔などの、ガスの拡散通路が
水で詰ってしまい、セルの性能が低下するという問題が
あった。また、水の変動を考慮して、平均値で水を供給
すると、供給の過不足を繰返すこととなり、セルの性能
が充分に出せなかった。Furthermore, if water is supplied at the maximum value of fluctuation so as not to cause insufficient humidification, water will become excessive, and the gas diffusion passages such as the pores of the carbon paper, which is the electrode base material, will be clogged with water. However, there was a problem that the performance of the machine deteriorated. Further, when water was supplied at an average value in consideration of water fluctuation, the excess and deficiency of the supply was repeated, and the cell performance could not be sufficiently obtained.
【0010】この発明は、かかる点に鑑みてなされたも
ので、請求項1記載の発明は、改質装置の効率が向上
し、かつ構造が簡単で、装置が小型化でき、移動性に優
れている燃料電池システムを提供することを目的として
いる。また、請求項2及び請求項3記載の発明は、起
動、停止等の運転状態でも燃料電池のセルの性能を維持
することができる燃料電池システムを提供することを目
的としている。The present invention has been made in view of the above points, and the invention according to claim 1 improves the efficiency of the reformer, has a simple structure, can be downsized, and is excellent in mobility. The present invention is aimed at providing a fuel cell system. It is another object of the inventions of claims 2 and 3 to provide a fuel cell system capable of maintaining the performance of the cells of the fuel cell even under operating conditions such as starting and stopping.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決し、かつ
目的を達成するために、請求項1記載の発明は、加熱器
によって蒸発器を加熱し、この蒸発器で気化した原料を
触媒層に供給するようにした改質装置により、原料を改
質して水素を製造し、得られた水素を燃料電池に供給し
て発電を行う燃料電池システムにおいて、前記改質によ
る反応ガスの一部を前記触媒層から取出して、前記加熱
器に戻すように構成したことを特徴としている。In order to solve the above-mentioned problems and to achieve the object, the invention according to claim 1 heats an evaporator by a heater, and a raw material vaporized by the evaporator is used as a catalyst layer. In a fuel cell system for producing hydrogen by reforming a raw material by a reforming device adapted to supply the hydrogen to the fuel cell and supplying the obtained hydrogen to a fuel cell to generate electricity, a part of the reaction gas by the reforming is produced. Is taken out from the catalyst layer and returned to the heater.
【0012】このように、触媒層から改質による反応ガ
スを一部取出すと、反応ガス取出部の下流側では処理量
が減少するので相対的に空間速度が低下して、反応に有
利な状態になる。また、発熱レベルも低下するので、平
衡は反応の進む側に移り、反応転化率は向上する。ま
た、反応ガス取出部よりも上流側では、下流側での発熱
レベルが低下しているので、加熱器による加熱量を高め
て反応を効果的におこすことが可能となり、触媒層の入
口側に熱を集中でき、触媒層の出口側での発熱量が減っ
て温度均一化可能となり、改質装置の性能が向上し、か
つ小型化し、それによる加熱器の小型化が可能となる。As described above, when a part of the reaction gas by reforming is taken out from the catalyst layer, the amount of treatment is reduced on the downstream side of the reaction gas taking-out portion, so that the space velocity is relatively decreased, which is advantageous for the reaction. become. In addition, since the exothermic level also decreases, the equilibrium shifts to the side where the reaction proceeds, and the reaction conversion rate improves. Further, since the heat generation level on the downstream side is lower on the upstream side than the reaction gas extraction part, it is possible to increase the amount of heating by the heater to effectively carry out the reaction, and to the inlet side of the catalyst layer. The heat can be concentrated, the amount of heat generated on the outlet side of the catalyst layer can be reduced and the temperature can be made uniform, the performance of the reformer can be improved, and the size of the reformer can be reduced, thereby reducing the size of the heater.
【0013】さらに、反応ガス取出部から直接加熱器に
反応ガスを供給した方が、燃料電池のセル用に精製した
ガスを原料とする場合に比べて、精製のためのエネルギ
ーが不要となるから、効率が良い。また、改質装置の後
工程でも処理量を低減できるから、転化率の向上、機器
の小型化が可能となる。Further, when the reaction gas is directly supplied from the reaction gas outlet to the heater, energy for purification is unnecessary as compared with the case where the gas purified for the fuel cell is used as the raw material. , Efficient. Further, since the processing amount can be reduced even in the post-process of the reforming apparatus, it is possible to improve the conversion rate and downsize the device.
【0014】請求項2記載の発明は、加熱器によって蒸
発器を加熱し、この蒸発器で気化した原料を触媒層に供
給するようにした改質装置により、原料を改質して水素
を製造し、得られた水素を燃料電池に供給して発電を行
う燃料電池システムにおいて、前記燃料電池のセルスタ
ック内部に、電極基材の外側に水過剰時の吸収及び水不
足時の供給のための水保管部を設け、停止時前記水保管
部に水を保管しておき、起動時前記水保管部の水を供給
するように構成したことを特徴としている。According to the second aspect of the present invention, the evaporator is heated by the heater, and the raw material vaporized by the evaporator is supplied to the catalyst layer to reform the raw material to produce hydrogen. In the fuel cell system that supplies the obtained hydrogen to the fuel cell to generate electric power, inside the cell stack of the fuel cell, water for absorption at the time of excess water and supply at the time of water shortage is provided outside the electrode base material. It is characterized in that a storage unit is provided, water is stored in the water storage unit at the time of stop, and water in the water storage unit is supplied at startup.
【0015】このように、起動時水保管部の水を供給す
るようにすることで、起動時に、水保管部がセルとほぼ
同じ温度で上昇していくため、外部から水を供給するも
のに比べて正確な湿度管理ができる。また、停止時に、
水をセルの内部または近傍に含んだ状態で保管できるの
で、保管中もセルの電極基材の湿度をほぼ飽和状態に保
つことが可能である。In this way, by supplying water from the water storage unit at startup, the water storage unit rises at approximately the same temperature as the cell at startup, so that water can be supplied from the outside. Compared to this, more accurate humidity control is possible. Also, when stopped,
Since water can be stored in the cell or in the vicinity of the cell, it is possible to keep the humidity of the electrode base material of the cell substantially saturated during storage.
【0016】さらに、燃料電池の水の供給制御が容易で
あり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が可
能となる。また、水の供給量をセルが必要な最小限度と
することができるので、水使用量の低減、水供給に必要
なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、熱交換器
等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効率・小型
軽量化が可能となる。Further, it is possible to easily control the water supply of the fuel cell, and it is possible to supply the water corresponding to the load fluctuation during the power generation. In addition, since the amount of water supply can be minimized to the minimum required by the cell, the amount of water used can be reduced, the pump power required for water supply can be reduced, the amount of heating can be reduced, and the vaporizer, heat exchanger, etc. The water tank can be made smaller and the water tank can be made smaller, resulting in higher efficiency, smaller size and lighter weight.
【0017】請求項3記載の発明は、加熱器によって蒸
発器を加熱し、この蒸発器で気化した原料を触媒層に供
給するようにした改質装置により、原料を改質して水素
を製造し、得られた水素を燃料電池に供給して発電を行
う燃料電池システムにおいて、燃料電池のセルスタック
内部に、電極基材の外側に水過剰時の吸収及び水不足時
の供給のための水保管部を設け、起動時前記水保管部に
水を保管しておき、定常時前記水保管部の水を供給する
ように構成したことを特徴としている。According to the third aspect of the present invention, the evaporator is heated by the heater, and the raw material vaporized by the evaporator is supplied to the catalyst layer to reform the raw material to produce hydrogen. In the fuel cell system that supplies the obtained hydrogen to the fuel cell to generate electricity, the water storage inside the cell stack of the fuel cell is performed outside the electrode base material to absorb excess water and supply water when insufficient. It is characterized in that a unit is provided, water is stored in the water storage unit at the time of startup, and the water in the water storage unit is supplied at a steady state.
【0018】このように、定常時水保管部の水を供給す
るようにすることで、起動時に、凝縮水や過剰水を確保
できるので、加湿水の供給量を低減できる。また、起動
中、加湿に寄与しない水がガス通路から除去されるの
で、発電開始から性能を高く維持できる。As described above, by supplying the water in the normal-time water storage unit, condensed water and excess water can be secured at the time of start-up, so that the supply amount of humidifying water can be reduced. In addition, during startup, water that does not contribute to humidification is removed from the gas passage, so high performance can be maintained from the start of power generation.
【0019】さらに、燃料電池の水の供給制御が容易で
あり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が可
能となる。また、水の供給量をセルが必要な最小限度と
することができるので、水使用量の低減、水供給に必要
なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、熱交換器
等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効率・小型
軽量化が可能となる。Further, it is possible to easily control the water supply of the fuel cell, and it is possible to supply the water corresponding to the load fluctuation during the power generation. In addition, since the amount of water supply can be minimized to the minimum required by the cell, the amount of water used can be reduced, the pump power required for water supply can be reduced, the amount of heating can be reduced, and the vaporizer, heat exchanger, etc. The water tank can be made smaller and the water tank can be made smaller, resulting in higher efficiency, smaller size and lighter weight.
【0020】[0020]
【発明の実施の形態】以下、この発明の燃料電池システ
ムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【0021】図1は燃料電池システムの実施例を示す構
成図である。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a fuel cell system.
【0022】燃料電池システム1は、例えば電気自動車
に備えられ、燃料電池によって発生する電気を駆動源と
して走行するものがある。この燃料電池システム1は、
メタノールタンク2、改質装置3、シフトコンバータ
4、選択酸化反応器5、燃料電池6、水分回収熱交換器
7、水タンク8及びコントローラ9等から構成されてい
る。コントローラ9は、バルブ、ポンプ、ファン等の各
機器及びセンサと接続されている。改質装置3、シフト
コンバータ4、選択酸化反応器5、燃料電池6の各部に
は温度センサTr、Tb、Ts、Tp、Tcが備えら
れ、これらの温度検出により各部がコントローラ9によ
って適正温度に制御される。The fuel cell system 1 is provided in, for example, an electric vehicle, and there is a system that runs using electricity generated by the fuel cell as a drive source. This fuel cell system 1 is
It is composed of a methanol tank 2, a reformer 3, a shift converter 4, a selective oxidation reactor 5, a fuel cell 6, a moisture recovery heat exchanger 7, a water tank 8 and a controller 9. The controller 9 is connected to various devices such as valves, pumps, fans, and sensors. Each of the reformer 3, shift converter 4, selective oxidation reactor 5 and fuel cell 6 is equipped with a temperature sensor Tr, Tb, Ts, Tp, Tc. Controlled.
【0023】改質装置3には、加熱器10、蒸発器1
1、触媒層12等が備えられている。加熱器10には、
温度センサTbの温度検出によりバーナーポンプ13が
駆動されてメタノールタンク2からメタノールが供給さ
れ、またバーナーファン14の駆動で空気が供給され、
これらで燃焼されて蒸発器11を加熱する。蒸発器11
には、メタノールポンプ15の駆動でメタノールタンク
2から供給されるメタノールと、また水ポンプ16の駆
動で水タンク8から供給される水が混合して供給され
る。加熱器10により蒸発器11を加熱してメタノール
と水の混合燃料を気化し、この蒸発器11で気化した燃
料を触媒層12に供給する。The reformer 3 includes a heater 10 and an evaporator 1.
1, a catalyst layer 12 and the like are provided. In the heater 10,
The burner pump 13 is driven by the temperature detection of the temperature sensor Tb to supply methanol from the methanol tank 2, and the burner fan 14 is driven to supply air,
These are burned to heat the evaporator 11. Evaporator 11
Is supplied with a mixture of methanol supplied from the methanol tank 2 by driving the methanol pump 15 and water supplied from the water tank 8 by driving the water pump 16. The evaporator 11 is heated by the heater 10 to vaporize the mixed fuel of methanol and water, and the fuel vaporized by the evaporator 11 is supplied to the catalyst layer 12.
【0024】この改質装置3により、原料を改質して水
素を製造し、温度センサTrの温度検出により得られた
水素をシフトコンバータ4、選択酸化反応器5を介して
燃料電池6に供給する。改質装置3とシフトコンバータ
4との間には、切換弁17が設けられ、この切換弁17
の作動で水素が改質装置3の加熱器10に戻される。シ
フトコンバータ4は温度センサTsの温度検出により冷
却用空気ファン18で冷却される。シフトコンバータ4
から送られる水素に、反応用空気ポンプ19の駆動で供
給される空気を混合して選択酸化反応器5に供給され
る。選択酸化反応器5は温度センサTpの温度検出によ
り冷却用空気ファン20で冷却される。選択酸化反応器
5と燃料電池6との間には、切換弁21が設けられ、こ
の切換弁21の作動で水素が改質装置3の加熱器10に
戻される。The reformer 3 reforms the raw material to produce hydrogen, and the hydrogen obtained by detecting the temperature of the temperature sensor Tr is supplied to the fuel cell 6 through the shift converter 4 and the selective oxidation reactor 5. To do. A switching valve 17 is provided between the reformer 3 and the shift converter 4, and this switching valve 17
The hydrogen is returned to the heater 10 of the reformer 3 by the operation of. The shift converter 4 is cooled by the cooling air fan 18 by detecting the temperature of the temperature sensor Ts. Shift converter 4
The hydrogen supplied from the reactor is mixed with the air supplied by the driving of the reaction air pump 19 and supplied to the selective oxidation reactor 5. The selective oxidation reactor 5 is cooled by the cooling air fan 20 by detecting the temperature of the temperature sensor Tp. A switching valve 21 is provided between the selective oxidation reactor 5 and the fuel cell 6, and the operation of the switching valve 21 returns hydrogen to the heater 10 of the reformer 3.
【0025】燃料電池6には、冷却加湿ポンプ22の駆
動で水タンク8から水が供給され、また温度センサTc
の温度検出により加圧空気ポンプ23の駆動で水分回収
熱交換器7から空気が供給され、これらの水、空気及び
水素から燃料電池6で発電を行う。燃料電池6で用いら
れた水は、水分回収熱交換器7で熱交換で水を得て水タ
ンク8に戻される。また、燃料電池6で発電のために用
いられた水素は、改質装置3の加熱器10に戻される。Water is supplied from the water tank 8 to the fuel cell 6 by driving the cooling / humidifying pump 22, and the temperature sensor Tc is supplied.
By the temperature detection, the pressurized air pump 23 is driven to supply air from the moisture recovery heat exchanger 7, and the fuel cell 6 generates electric power from these water, air and hydrogen. The water used in the fuel cell 6 is heat-exchanged in the moisture recovery heat exchanger 7 to be returned to the water tank 8. The hydrogen used for power generation in the fuel cell 6 is returned to the heater 10 of the reformer 3.
【0026】燃料電池システム1では、加熱器10によ
って蒸発器11を加熱し、この蒸発器11で気化した原
料を触媒層12に供給するようにした改質装置3によ
り、原料を改質して水素を製造し、得られた水素をシフ
トコンバータ4及び選択酸化反応器5を介して燃料電池
6に供給して発電を行い、改質装置3は、燃料改質によ
る反応ガスの一部を触媒層12の途中から取出して、戻
し系30を介して加熱器10に戻すように構成してい
る。戻し系30は、触媒層12側に設けられた反応ガス
取出部31と、この反応ガス取出部31と加熱器10側
とを連結する配管32と、この配管32に備えられたバ
ルブ33から構成され、バルブ33を開くことで燃料改
質による反応ガスの一部を触媒層12から取出して加熱
器10に戻される。バルブ33は、ON/OFFバルブ
または流量調整バルブが用いられる。In the fuel cell system 1, the evaporator 11 is heated by the heater 10, and the raw material vaporized by the evaporator 11 is supplied to the catalyst layer 12 by the reformer 3 to reform the raw material. The hydrogen is produced, and the obtained hydrogen is supplied to the fuel cell 6 through the shift converter 4 and the selective oxidation reactor 5 to generate electric power, and the reformer 3 catalyzes a part of the reaction gas by the fuel reforming. The layer 12 is taken out from the middle and returned to the heater 10 via the return system 30. The return system 30 includes a reaction gas extraction part 31 provided on the catalyst layer 12 side, a pipe 32 connecting the reaction gas extraction part 31 and the heater 10 side, and a valve 33 provided on the pipe 32. Then, by opening the valve 33, a part of the reaction gas by the fuel reforming is taken out from the catalyst layer 12 and returned to the heater 10. As the valve 33, an ON / OFF valve or a flow rate adjusting valve is used.
【0027】改質装置3での改質反応は、以下のように
示される。 CH3OH → 3H2 + CO − 21kcal・・・(1) CO+H2O → CO2 + H2 + 10kcal・・・(2) CH3OH+H2O → 3H2 + CO2 − 11kcal・・・(3) 触媒層12の加熱器10に近い入口側では吸熱反応
(1)式が支配的であり、一方、触媒層12の出口側で
は発熱反応(2)式が支配的であり、全体としては、吸
熱反応(3)式である。The reforming reaction in the reforming device 3 is shown as follows. CH 3 OH → 3H 2 + CO - 21kcal ··· (1) CO + H 2 O → CO 2 + H 2 + 10kcal ··· (2) CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 - 11kcal ··· ( 3) The endothermic reaction (1) is dominant on the inlet side of the catalyst layer 12 near the heater 10, while the exothermic reaction (2) is dominant on the outlet side of the catalyst layer 12, and as a whole Is an endothermic reaction (3).
【0028】触媒層12の途中から反応ガスを一部取出
すと、反応ガス取出部31の下流側では処理量が減少す
るので相対的に空間速度が低下して、反応に有利な状態
になる。また、発熱反応(2)式による発熱レベルも低
下するので、平衡は反応の進む右側に移る。よって、反
応転化率は向上する。If a part of the reaction gas is taken out from the middle of the catalyst layer 12, the amount of treatment is reduced on the downstream side of the reaction gas take-out portion 31, so that the space velocity is relatively decreased, which is advantageous for the reaction. Further, since the exothermic level according to the exothermic reaction (2) also decreases, the equilibrium shifts to the right side of the reaction. Therefore, the reaction conversion rate is improved.
【0029】また、反応ガス取出部31よりも上流側で
は、下流側での発熱レベルが低下しているので、加熱器
10による加熱量を高めて吸熱反応(1)式の反応を効
果的におこすことが可能となる。よって、触媒層12の
入口側に熱を集中でき、触媒層12の出口側での発熱量
が減って温度均一化可能となり、改質装置3の性能向
上、小型化と、それによる加熱器10の小型化が可能と
なる。Further, since the heat generation level on the downstream side is lower on the upstream side than the reaction gas extraction section 31, the heating amount by the heater 10 is increased to effectively carry out the reaction of the endothermic reaction (1). It is possible to wake up. Therefore, heat can be concentrated on the inlet side of the catalyst layer 12, the amount of heat generated on the outlet side of the catalyst layer 12 can be reduced, and the temperature can be made uniform. Can be downsized.
【0030】さらに、反応ガス取出部31から直接加熱
器10に反応ガスを供給した方が、セル用に精製したガ
スを燃料とする場合に比べて、精製のためのエネルギー
が不要となるから、効率が良い。さらに、改質装置3の
後工程でも処理量を低減できるから、転化率の向上と機
器の小型化が可能となる。Further, when the reaction gas is directly supplied from the reaction gas extraction section 31 to the heater 10, energy for purification is unnecessary as compared with the case where the gas purified for the cell is used as fuel. It is efficient. Further, since the amount of treatment can be reduced even in the post-process of the reforming device 3, it is possible to improve the conversion rate and downsize the device.
【0031】例えば電気自動車に備えられる移動用燃料
電池システム1は、その改質装置3に使用される触媒層
12の触媒が、主として銅系の触媒である。銅系の触媒
は、耐熱性が低く、約300℃であり、これを越えると
触媒の劣化が激しいため、加熱器10による加熱時は、
触媒温度の上限を守るように配慮される。In the mobile fuel cell system 1 provided in, for example, an electric vehicle, the catalyst of the catalyst layer 12 used in the reformer 3 is mainly a copper-based catalyst. The copper-based catalyst has a low heat resistance and is about 300 ° C., and if it exceeds this temperature, the catalyst is severely deteriorated.
Care is taken to keep the upper limit of the catalyst temperature.
【0032】また、吸熱反応(1)式の反応が、主に触
媒層12の上流側で起きるので、上流側には熱を積極的
に与え、下流側では熱を穏やかに与えて発熱反応(2)
式の反応を進ませることが、反応転化率を向上させるた
めに有効である。よって、反応ガス取出部31の位置
は、加熱器10の熱が直接あたり易い高温部より、下流
側とするのがよい。Further, since the reaction of the endothermic reaction (1) mainly occurs on the upstream side of the catalyst layer 12, heat is positively applied to the upstream side and heat is gently applied to the downstream side to generate an exothermic reaction ( 2)
Progressing the reaction of the formula is effective for improving the reaction conversion rate. Therefore, the position of the reaction gas extraction part 31 is preferably located on the downstream side of the high temperature part where the heat of the heater 10 is likely to be directly applied.
【0033】図2及び図3に基づいて改質装置の具体的
な実施例を説明する。図2は改質装置の断面図、図3は
図2のIII-III線に沿う断面図である。A concrete embodiment of the reformer will be described with reference to FIGS. 2 and 3. 2 is a sectional view of the reformer, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III of FIG.
【0034】図において、41は改質装置3の筒状のハ
ウジングであり、その下部に設けた加熱室42にスパイ
ラル状のパイプから形成された原料気化用の蒸発器11
が設けられている。蒸発器11は連続状のパイプが螺旋
状に巻かれて構成されており、原料を気化するための蒸
発部11aと、その気化された原料ガスをさらにスーパ
ヒートさせる過熱部11bとを有している。蒸発器11
の下方には、加熱器10を構成するバーナ43が設置さ
れている。また、加熱室42にはファン44が接続さ
れ、空気が強制送風されるようになっている。In the figure, reference numeral 41 denotes a tubular housing of the reforming apparatus 3, and a heating chamber 42 provided in the lower portion of the housing 41 is provided with an evaporator 11 for vaporizing the raw material, which is formed of a spiral pipe.
Is provided. The evaporator 11 is configured by spirally winding a continuous pipe, and has an evaporation section 11a for vaporizing the raw material and an overheating section 11b for further superheating the vaporized raw material gas. . Evaporator 11
A burner 43 that constitutes the heater 10 is installed below. A fan 44 is connected to the heating chamber 42 so that air is forcibly blown.
【0035】加熱室42の上方には、2枚の平行な板材
がスパイラル状に巻かれて形成された触媒層12が設け
られている。また、触媒層12と平行に隣接してスパイ
ラル状の加熱層45が形成されている。スクロール状を
した触媒層12と加熱層45との中心部に上下に貫通す
る加熱ガス通路46が設けられ、下部の加熱室42と加
熱層45とを連通している。加熱層45には、その途中
に加熱室42に通ずるバイパス47が数カ所に設けら
れ、中間域の温度分布が調整されるようになっている。
また、加熱ガス通路46の中には、蒸発器11の蒸発部
11aから延びる過熱部11bが貫通し、さらに過熱部
11bから延びるパイプ48が触媒層12に連通してい
る。Above the heating chamber 42, the catalyst layer 12 formed by spirally winding two parallel plate materials is provided. A spiral heating layer 45 is formed in parallel with and adjacent to the catalyst layer 12. A heating gas passage 46 that penetrates vertically is provided at the center of the scroll-shaped catalyst layer 12 and the heating layer 45, and connects the heating chamber 42 and the heating layer 45 at the bottom. In the heating layer 45, several bypasses 47 leading to the heating chamber 42 are provided in the middle of the heating layer 45, and the temperature distribution in the intermediate region is adjusted.
Further, the heating gas passage 46 is penetrated by the superheated portion 11b extending from the evaporation portion 11a of the evaporator 11, and a pipe 48 extending from the superheated portion 11b communicates with the catalyst layer 12.
【0036】改質装置3において、加熱器10のバーナ
の加熱によって加熱室42で生成された加熱ガスは、加
熱ガス通路46を経て加熱層45に入り、その中心部か
ら外側に向けてスパイラル状に流されながら触媒層12
を加熱し、最後に外周の排出口49から排気される。一
方、蒸発器11の蒸発部11aには供給管50から原
料、例えば、メタノールと水との混合液が供給され、加
熱器10のバーナの加熱によって気化されて原料ガスに
なる。その原料ガスは過熱部11b,パイプ48を経て
触媒層12ヘ供給され、その中心部からスパイラル状に
外側に向けて流動する間に加熱層45によって加熱され
ることにより反応を行い、水素ガス主体の反応ガスにな
る。その反応ガスは排出管51から燃料電池側に供給さ
れる。In the reformer 3, the heating gas generated in the heating chamber 42 by heating the burner of the heater 10 enters the heating layer 45 through the heating gas passage 46 and spirals outward from the center of the heating layer 45. Catalyst layer 12 while being washed away
Is heated and finally exhausted from the exhaust port 49 on the outer periphery. On the other hand, a raw material, for example, a mixed liquid of methanol and water is supplied from the supply pipe 50 to the evaporation unit 11a of the evaporator 11, and is vaporized by heating the burner of the heater 10 to become a raw material gas. The raw material gas is supplied to the catalyst layer 12 through the superheater 11b and the pipe 48, and reacts by being heated by the heating layer 45 while flowing spirally outward from the central portion thereof, and hydrogen gas is mainly used. It becomes the reaction gas of. The reaction gas is supplied from the exhaust pipe 51 to the fuel cell side.
【0037】改質装置3は、触媒層12がスパイラル状
であることによって反応経路が長くなり、またスパイラ
ル状の連続層で形成するため、部品点数を少なく、単純
化することができる。The reformer 3 has a long reaction path because the catalyst layer 12 has a spiral shape and is formed by a spiral continuous layer. Therefore, the reformer 3 has a small number of parts and can be simplified.
【0038】また、触媒層12では、前記(1)式と
(2)式の反応が起こり、その結果として(3)式の右
辺に示すような反応ガスが生成される。前記(1),
(2)式のうち初めの(1)式は吸熱反応であるのに対
し、後の(2)式は発熱反応であり、しかも(2)式は
高温雰囲気中では逆方向(←方向)の反応を起こしやす
い傾向がある。このため、触媒層12の原料ガスと加熱
層の加熱ガスとは同一方向に平行に流されるので、反応
初期は高温に、後期には低温になっているから、前記
(2)式の逆方向の反応は起こりにくく、極めて効率的
な反応が行われる。また、実施例のように加熱ガスを改
質装置3の中心部から外側に向けて流すようにすると、
外周部ほど低温になるので、外部に対する熱エネルギー
のロスを少なくすることができる。Further, in the catalyst layer 12, the reactions of the equations (1) and (2) occur, and as a result, the reaction gas as shown on the right side of the equation (3) is generated. (1),
Of the equations (2), the first equation (1) is an endothermic reaction, while the latter equation (2) is an exothermic reaction, and the equation (2) is a reverse direction (← direction) in a high temperature atmosphere. It tends to react easily. Therefore, the raw material gas of the catalyst layer 12 and the heating gas of the heating layer are made to flow in the same direction in parallel, so that the temperature is high in the initial stage of the reaction and low in the latter stage. The reaction is less likely to occur and an extremely efficient reaction is performed. Further, when the heating gas is made to flow from the central portion of the reforming device 3 to the outside as in the embodiment,
Since the temperature becomes lower toward the outer periphery, the loss of heat energy to the outside can be reduced.
【0039】この改質装置3は、燃料改質による反応ガ
スの一部を触媒層12の途中から取出して、戻し系30
を介して加熱器10に戻すように構成している。戻し系
30は、触媒層12側に設けられた反応ガス取出部31
と、この反応ガス取出部31と加熱器10側とを連結す
る配管32と、この配管32に備えられたバルブ33か
ら構成され、バルブ33を開くことで燃料改質による反
応ガスの一部を触媒層12から取出して加熱器10に戻
される。The reformer 3 takes out a part of the reaction gas by the fuel reforming from the middle of the catalyst layer 12 and returns it to the return system 30.
It is configured to be returned to the heater 10 via. The return system 30 includes a reaction gas extraction unit 31 provided on the catalyst layer 12 side.
And a pipe 32 connecting the reaction gas extraction part 31 and the heater 10 side, and a valve 33 provided in the pipe 32. By opening the valve 33, a part of the reaction gas due to the fuel reforming is It is taken out from the catalyst layer 12 and returned to the heater 10.
【0040】図4及び図5に基づいて改質装置の他の実
施例を説明する。図4の実施例の改質装置3は、複数の
触媒層12a,12bが上下に直列に接続され、下側の
触媒層12aに原料が供給され、上側の触媒層12bか
ら反応ガスが排出される。直列に接続された触媒層12
a,12bの間に反応ガス取出部31が設けられ、この
反応ガス取出部31と加熱器10側とを配管32で連結
し、この配管32にバルブ33が備えられている。バル
ブ33を開くことで燃料改質による反応ガスの一部を触
媒層12aから取出して加熱器10に戻される。Another embodiment of the reformer will be described with reference to FIGS. 4 and 5. In the reformer 3 of the embodiment shown in FIG. 4, a plurality of catalyst layers 12a and 12b are vertically connected in series, a raw material is supplied to the lower catalyst layer 12a, and a reaction gas is discharged from the upper catalyst layer 12b. It Catalyst layer 12 connected in series
A reaction gas extraction part 31 is provided between a and 12b, the reaction gas extraction part 31 and the heater 10 side are connected by a pipe 32, and the pipe 32 is provided with a valve 33. By opening the valve 33, a part of the reaction gas by the fuel reforming is taken out from the catalyst layer 12a and returned to the heater 10.
【0041】図5の実施例の改質装置は、複数の触媒層
12c,12dが2重円筒で構成され、内側円筒の触媒
層12cと、外側円筒の触媒層12dとが接続されてい
る。直列に接続された触媒層12c,12dの間に反応
ガス取出部31が設けられ、この反応ガス取出部31と
加熱器10側とを配管32で連結し、この配管32にバ
ルブ33が備えられている。バルブ33を開くことで燃
料改質による反応ガスの一部を触媒層12cと触媒層1
2dの間から取出して加熱器10に戻される。In the reformer of the embodiment shown in FIG. 5, a plurality of catalyst layers 12c and 12d are constituted by a double cylinder, and the inner cylinder catalyst layer 12c and the outer cylinder catalyst layer 12d are connected. A reaction gas extraction part 31 is provided between the catalyst layers 12c and 12d connected in series, the reaction gas extraction part 31 and the heater 10 side are connected by a pipe 32, and the pipe 32 is provided with a valve 33. ing. By opening the valve 33, a part of the reaction gas due to the fuel reforming is partially discharged from the catalyst layer 12c and the catalyst layer 1.
It is taken out from between 2d and returned to the heater 10.
【0042】図6及び図7は図5に示す改質装置の具体
的な構成を示し、図6は改質装置の断面図、図7は図6
のVII-VII線に沿う断面図である。6 and 7 show a concrete structure of the reformer shown in FIG. 5, FIG. 6 is a sectional view of the reformer, and FIG. 7 is FIG.
FIG. 7 is a sectional view taken along line VII-VII of FIG.
【0043】改質装置3は、液体原料を気化するための
蒸発器11、この蒸発器11の下方に設置されたバーナ
からなる加熱器10が備えられている。蒸発器11の上
方には、同心状に筒状の触媒層12c,12dが配置さ
れ、このように配置された触媒層12cの内側、両触媒
層12c,12dの間、触媒層12dの外側には、それ
ぞれ加熱ガスが通る加熱層45a,45b,45cが形
成されている。The reformer 3 is provided with an evaporator 11 for vaporizing a liquid raw material, and a heater 10 consisting of a burner installed below the evaporator 11. Concentric cylindrical catalyst layers 12c and 12d are arranged above the evaporator 11, inside the catalyst layers 12c thus arranged, between the catalyst layers 12c and 12d, and outside the catalyst layer 12d. Have heating layers 45a, 45b, 45c through which the heating gas passes.
【0044】蒸発器11は連続状のパイプが螺旋状に巻
かれて構成されており、原料を気化するための蒸発部1
1aと、その気化された原料ガスをさらにスーパヒート
させる過熱部11bとを有している。蒸発部11aはパ
イプが円板状の螺旋となって加熱器10のバーナに直接
対面し、また過熱部11bはパイプが円筒状の螺旋とな
って加熱層45aの中に挿入されている。このようにパ
イプが円板状或いは円筒状になって面状に並び、その面
状に並んだ部分によって加熱器10と触媒層12c,1
2d及び加熱層45b,45cとの間を隔壁状に仕切っ
ている。このような蒸発器11に対し供給管50から反
応用の原料が供給されると、加熱器10によって外側か
ら加熱され、まず蒸発部11aで気化され、次いで過熱
部11bでスーパヒートされる。The evaporator 11 is constructed by spirally winding a continuous pipe, and the evaporator 1 for vaporizing the raw material is used.
It has 1a and an overheating part 11b for further superheating the vaporized raw material gas. The evaporation section 11a has a disc-shaped spiral that directly faces the burner of the heater 10, and the heating section 11b has a cylindrical spiral-shaped pipe that is inserted into the heating layer 45a. In this way, the pipes are formed into a disk shape or a cylindrical shape and are arranged in a plane shape, and the heater 10 and the catalyst layers 12c, 1
The partition between 2d and the heating layers 45b and 45c is partitioned. When a raw material for reaction is supplied to the evaporator 11 from the supply pipe 50, it is heated from the outside by the heater 10, first vaporized in the evaporation section 11a, and then superheated in the superheating section 11b.
【0045】加熱器10は燃料供給源から供給された燃
焼用燃料を、空気口51から矢印のように空気を取り入
れて燃焼させるようにしている。この燃焼によって発生
した加熱ガスは、蒸発器11を加熱したのち、面状に並
ぶパイプの隙間を抜け出て、矢印のように加熱層45
a,45b,45cをそれぞれ上昇し、触媒層12c,
12dを流下する反応ガスと向流しながら熱交換を行っ
て、上部の排気管52から排気ガスが排出される。The heater 10 is adapted to burn the combustion fuel supplied from the fuel supply source by taking in air from the air port 51 as shown by an arrow. The heating gas generated by this combustion heats the evaporator 11 and then exits through the gap between the pipes arranged in a plane to form the heating layer 45 as indicated by an arrow.
a, 45b, 45c respectively, and the catalyst layers 12c,
Exhaust gas is discharged from the upper exhaust pipe 52 by performing heat exchange while flowing countercurrently with the reaction gas flowing down 12d.
【0046】触媒層12cの上部は、過熱部11bの上
部と連通され、過熱部11bから反応ガスが供給され
る。触媒層12c,12dの下部側は連通室53により
互いに運結され、触媒層12dの上部側は集合室54で
集合され、集合室54に導出管55が設けられ、さらに
燃料電池本体に接続している。このような触媒層12
c、12dに、蒸発器11で気化した原料ガスが矢印の
ように供給され、そこで反応を行うことによって水素ガ
ス主体の反応ガスになり、上部の集合室54を経て導出
管55から燃料電池本体ヘ供給される。The upper part of the catalyst layer 12c communicates with the upper part of the superheater 11b, and the reaction gas is supplied from the superheater 11b. The lower sides of the catalyst layers 12c and 12d are connected to each other by a communication chamber 53, and the upper side of the catalyst layer 12d is collected in a collecting chamber 54, and a discharge pipe 55 is provided in the collecting chamber 54 and further connected to the fuel cell main body. ing. Such a catalyst layer 12
The raw material gas vaporized in the evaporator 11 is supplied to the c and 12d as shown by the arrow, and by reacting there, it becomes a reaction gas mainly composed of hydrogen gas, and passes through the upper collecting chamber 54 and the outlet pipe 55 to the fuel cell main body. F will be supplied.
【0047】改質装置3によると、蒸発器11が螺旋状
に巻かれたパイプから構成されているので、コンパクト
でありながら大きな熱交換面積を確保することができ、
負荷応答性を良好にすることができる。また、パイプ間
に多数の隙間を有する形態であるため、加熱ガスを低圧
損下に触媒槽12c,12d側へ導入することができ
る。According to the reformer 3, since the evaporator 11 is composed of a spirally wound pipe, it is possible to secure a large heat exchange area while being compact.
The load response can be improved. Further, since the pipe has a large number of gaps, the heating gas can be introduced into the catalyst tanks 12c and 12d with a low pressure loss.
【0048】さらに、改質装置3では、蒸発器11を構
成するパイプが面状に並んで加熱器10と触媒層12
c,12dとの間を仕切るようにしているから、この面
状に並ぶパイプが隔壁効果を発揮し、1000℃以上に
もなる加熱器10の加熱ガスが触媒層12c,12dに
対して直接及ぶことがないようにしている。Further, in the reformer 3, the pipes constituting the evaporator 11 are arranged in a plane and the heater 10 and the catalyst layer 12 are arranged.
Since the pipes are partitioned from c and 12d, the pipes arranged in a line form a partition effect, and the heating gas of the heater 10 that reaches 1000 ° C. or more directly reaches the catalyst layers 12c and 12d. I try not to.
【0049】この改質装置3では、複数の触媒層12
c,12dが2重円筒で構成され、内側円筒の触媒層1
2cと、外側円筒の触媒層12dとが連通室53を介し
て接続されている。この直列に接続された触媒層12
c,12dの間に反応ガス取出部31が設けられ、この
反応ガス取出部31と加熱器10側とを配管32で連結
し、この配管32にバルブ33が備えられている。バル
ブ33を開くことで改質による反応ガスの一部を触媒層
12cと触媒層12dの間から取出して加熱器10に戻
される。In this reformer 3, a plurality of catalyst layers 12 are provided.
c and 12d are double cylinders, and the catalyst layer 1 is an inner cylinder.
2c and the outer cylindrical catalyst layer 12d are connected via a communication chamber 53. This catalyst layer 12 connected in series
A reaction gas extraction part 31 is provided between c and 12d, the reaction gas extraction part 31 and the heater 10 side are connected by a pipe 32, and a valve 33 is provided in the pipe 32. By opening the valve 33, a part of the reaction gas due to the reforming is taken out from between the catalyst layers 12c and 12d and returned to the heater 10.
【0050】次に、図8乃至図10に基づいて燃料電池
の具体的な実施例を説明する。図8は燃料電池の正面
図、図9は図8のIX-IX線に沿う断面図、図10は図8
のX−X線及びY−Y線に沿う断面図である。Next, a specific embodiment of the fuel cell will be described with reference to FIGS. 8 is a front view of the fuel cell, FIG. 9 is a sectional view taken along line IX-IX of FIG. 8, and FIG. 10 is FIG.
2 is a cross-sectional view taken along line XX and YY of FIG.
【0051】燃料電池6は、組付軸102により組み付
けられたセルスタック103を備えている。セルスタッ
ク103はセパレータ104a,104b,104cを
組みにして複数積層して組み付けて構成され、セパレー
タ104aとセパレータ104cとの間にガス遮断板1
04dが設けられている。セパレータ104cには、ガ
ス遮断板104dとの間にトンネル通路115bが形成
されている。セパレータ104a,104bの間には、
セル106が備えられている。セル106の電極基材B
は、イオン交換膜107、正の触媒電極108及び負の
触媒電極109から構成されている。イオン交換膜10
7の外周部107aは、セパレータ104a,104b
の間に挟んで保持され、イオン交換膜107の一方面に
は正の触媒電極108を有し、他方面に負の触媒電極1
09を有しており、このセル106により反応ガスの水
素と酸素とを反応させて水を生成し、その際に電気を発
生させる。The fuel cell 6 has a cell stack 103 assembled by the assembly shaft 102. The cell stack 103 is configured by stacking a plurality of separators 104a, 104b and 104c as a set and assembling them. The gas blocking plate 1 is provided between the separators 104a and 104c.
04d is provided. A tunnel passage 115b is formed between the separator 104c and the gas blocking plate 104d. Between the separators 104a and 104b,
A cell 106 is provided. Electrode base material B of cell 106
Is composed of an ion exchange membrane 107, a positive catalyst electrode 108 and a negative catalyst electrode 109. Ion exchange membrane 10
7. The outer peripheral portion 107a of No. 7 has separators 104a and 104b.
The ion-exchange membrane 107 has a positive catalyst electrode 108 on one side and a negative catalyst electrode 1 on the other side.
09, and hydrogen and oxygen of the reaction gas are reacted by this cell 106 to generate water, and at that time, electricity is generated.
【0052】セル106の正の触媒電極108の外側に
は、ポーラス部材で形成されたポーラスガイド体110
を接触させて配置され、負の触媒電極109の外側にも
ポーラス部材で形成されたポーラスガイド体111を接
触させて配置され、ポーラス部材で電極基材の外側に水
過剰時の吸収及び水不足時の供給のための水保管部Aを
構成している。Outside the positive catalyst electrode 108 of the cell 106, a porous guide body 110 formed of a porous member is provided.
Are arranged in contact with each other, and a porous guide body 111 formed of a porous member is also arranged in contact with the outside of the negative catalyst electrode 109. It constitutes a water storage unit A for supplying water.
【0053】ポーラスガイド体110,111は多孔質
なポーラス部材で成形され、それぞれ一面側には等間隔
に溝110a,111aが形成されている。ポーラスガ
イド体110は溝110aが形成された側を正の触媒電
極108と接触させ、ポーラスガイド体111は溝11
1aをポーラスガイド体110の溝110aと直交する
方向に向けて配置されている。ポーラスガイド体110
の溝110aと正の触媒電極108との間に連通する反
応ガス通路112が設けられ、ポーラスガイド体111
の溝111aと負の触媒電極109との間に連通する反
応ガス通路113が設けられている。The porous guide members 110 and 111 are formed of a porous porous member, and grooves 110a and 111a are formed on one surface side at equal intervals. The porous guide body 110 contacts the positive catalyst electrode 108 on the side on which the groove 110a is formed, and the porous guide body 111 forms the groove 11a.
1a is arranged in a direction orthogonal to the groove 110a of the porous guide body 110. Porous guide body 110
Is provided with a reaction gas passage 112 that communicates between the groove 110a of the cathode and the positive catalyst electrode 108.
A reaction gas passage 113 is provided between the groove 111 a and the negative catalyst electrode 109.
【0054】セルスタック103には、セル106が角
度α傾斜させて配置され、セル106の周囲を囲むセパ
レータ104b,104cの間にガスケット114が設
けられ、ガスケット114によりセル106をシールし
ている。セルスタック103の左側上方には水素の入口
部115が設けられ、右側下方には水素の出口部116
が設けられ、入口部115及び出口部116の周囲を囲
むようにセパレータ104a,104bとの間にガスケ
ット117,118が設けられ、入口部115及び出口
部116をシールしている。入口部115には、セル1
06の積層方向に入口通路115aが形成され、この入
口通路115aから4個のトンネル通路115bがガス
ケット114の下方を通ってセル106の分配通路11
5cに連通し、分配通路115cから反応ガス通路11
3に連通している。出口部116には、セル106の積
層方向に出口通路116aが形成され、この出口通路1
16aに連通された4個のトンネル通路116bはガス
ケット114の下方を通ってセル106の集合通路11
6cに連通し、集合通路116cは反応ガス通路113
と連通している。In the cell stack 103, the cells 106 are arranged at an angle α, and a gasket 114 is provided between the separators 104b and 104c surrounding the cell 106. The gasket 114 seals the cells 106. An inlet 115 for hydrogen is provided on the upper left side of the cell stack 103, and an outlet 116 for hydrogen is provided on the lower right side.
The gaskets 117 and 118 are provided between the separators 104a and 104b so as to surround the inlet 115 and the outlet 116, and seal the inlet 115 and the outlet 116. At the entrance 115, the cell 1
The inlet passage 115a is formed in the stacking direction of 06, and four tunnel passages 115b pass from the inlet passage 115a below the gasket 114 and the distribution passage 11 of the cell 106.
5c, from the distribution passage 115c to the reaction gas passage 11
It communicates with 3. An outlet passage 116 a is formed in the outlet portion 116 in the stacking direction of the cells 106.
The four tunnel passages 116b communicated with 16a pass below the gasket 114, and the collective passage 11 of the cell 106
6 c, and the collecting passage 116 c is the reaction gas passage 113.
Is in communication with
【0055】セルスタック103の上方右側には酸素の
入口部119が設けられ、下方左側には酸素の出口部1
20が設けられ、入口部119及び出口部120の周囲
を囲むようにセパレータ104a,104bの間にガス
ケット121,122が設けられ、入口部119及び出
口部120をシールしている。入口部119には、セル
106の積層方向に入口通路119aが形成され、この
入口通路119aから4個のトンネル通路119bがガ
スケット114の下方を通ってセル106の分配通路1
19cに連通し、分配通路119cから反応ガス通路1
12に連通している。出口部120には、セル106の
積層方向に出口通路120aが形成され、この出口通路
120aに連通された4個のトンネル通路120bはガ
スケット114の下方を通ってセル106の集合通路1
20cに連通し、集合通路120cは反応ガス通路11
2と連通している。An oxygen inlet 119 is provided on the upper right side of the cell stack 103, and an oxygen outlet 1 is provided on the lower left side.
20 are provided, and gaskets 121 and 122 are provided between the separators 104a and 104b so as to surround the inlet 119 and the outlet 120, and seal the inlet 119 and the outlet 120. An inlet passage 119a is formed in the inlet portion 119 in the stacking direction of the cells 106. From this inlet passage 119a, four tunnel passages 119b pass below the gasket 114 and the distribution passage 1 of the cell 106 is formed.
19c, from the distribution passage 119c to the reaction gas passage 1
It communicates with 12. An outlet passage 120a is formed in the outlet portion 120 in the stacking direction of the cells 106, and the four tunnel passages 120b communicating with the outlet passage 120a pass under the gasket 114 and the collecting passage 1 of the cell 106.
20 c, and the collecting passage 120 c is connected to the reaction gas passage 11
Communicates with 2.
【0056】また、ガス遮断板104dの図9での下面
であるポーラスガイド体110との接触部には水通路1
23が形成されている。水通路123の一方123a
は、ガスケット114の下方を通るトンネル通路124
aを介して水素の入口部115の近傍で上側に設けられ
た排出部124に連通され、他方123bはガスケット
114の下方を通るトンネル通路125aを介して水素
の出口部116の近傍で下側に設けられた供給部125
に連通されている。排出部124及び供給部125の周
囲を囲むようにセパレータ104a,104cの間にガ
スケット126a,127aが設けられ、排出部124
及び供給部125をシールしている。Further, the water passage 1 is provided at the contact portion of the gas blocking plate 104d, which is the lower surface in FIG. 9, with the porous guide body 110.
23 is formed. One side 123a of the water passage 123
Is a tunnel passage 124 that passes below the gasket 114.
The discharge port 124 provided on the upper side in the vicinity of the hydrogen inlet 115 via a, while the other 123b moves downward near the hydrogen outlet 116 via the tunnel passage 125a passing below the gasket 114. Provided supply section 125
Is communicated to. Gaskets 126a and 127a are provided between the separators 104a and 104c so as to surround the discharge section 124 and the supply section 125, respectively.
And the supply part 125 is sealed.
【0057】また、セパレータ104bの図9での上面
であるポーラスガイド体110との接触部には、水通路
128が形成されている。水通路128の一方128a
はガスケット114の下方を通るトンネル通路129a
を介して酸素の入口部119の近傍で右側に設けられた
排出部129に連通され、他方128bはガスケット1
14の下方を通るトンネル通路130aを介して酸素の
出口部120の近傍で左側に設けられた供給部130に
連通されている。排出部129及び供給部130の周囲
を囲むようにセパレータ104a,104bの間にガス
ケット126b,127bが設けられ、排出部129及
び供給部130をシールしている。A water passage 128 is formed at the contact portion of the separator 104b, which is the upper surface in FIG. 9, with the porous guide body 110. One of the water passages 128a
Is a tunnel passage 129a passing under the gasket 114
Via the gas inlet 119 to the outlet 129 provided on the right side, and the other 128b is the gasket 1
It is communicated with a supply unit 130 provided on the left side in the vicinity of the oxygen outlet unit 120 via a tunnel passage 130 a passing below 14. Gaskets 126b and 127b are provided between the separators 104a and 104b so as to surround the discharge section 129 and the supply section 130, and seal the discharge section 129 and the supply section 130.
【0058】従って、セルスタック103の水素の入口
部115から加温、加湿した水素を供給すると、この水
分を含む水素は入口通路115aからトンネル通路11
5bを通ってセル106の分配通路115cに導かれ、
分配通路115cから反応ガス通路113を流れる。一
方、酸素の入口部119から加温、加湿した酸素を供給
すると、この水分を含む酸素は入口通路119aからト
ンネル通路119bを通ってセル106の分配通路11
9cに連通し、分配通路119cから反応ガス通路11
2を流れる。Therefore, when heated and humidified hydrogen is supplied from the hydrogen inlet portion 115 of the cell stack 103, the hydrogen containing water is supplied from the inlet passage 115a to the tunnel passage 11a.
5b to the distribution passage 115c of the cell 106,
The reaction gas passage 113 flows from the distribution passage 115c. On the other hand, when heated and humidified oxygen is supplied from the oxygen inlet 119, the oxygen containing water passes from the inlet passage 119a through the tunnel passage 119b to the distribution passage 11 of the cell 106.
9c, from the distribution passage 119c to the reaction gas passage 11
Flow through 2.
【0059】このとき、セル106により反応ガスの水
素と酸素の電気化学的な反応により水を生成し、その際
の自由エネルギーの変化を電気エネルギーとして取り出
す発電が行われる。セル106は、セパレータ104c
を介して隣接したセル106と直列に接続され、発生し
た電力はセルスタック103の両端部に設けられた不図
示の集電部より取り出される。At this time, electric power is generated by the cell 106 to generate water by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen of the reaction gas and to take out the change in free energy at that time as electric energy. The cell 106 is a separator 104c
The cell 106 is connected in series with the adjacent cell 106 via the, and the generated electric power is taken out from a current collector (not shown) provided at both ends of the cell stack 103.
【0060】主として水素と水はセル106の集合通路
116cに集められ、トンネル通路116bを通って出
口通路116aに導かれて出口部116から排出され
る。主として酸素と水はセル106の集合通路120c
に集められ、トンネル通路120bを通って出口通路1
20aに導かれて出口部120から排出される。Hydrogen and water are mainly collected in the collecting passage 116c of the cell 106, are guided to the outlet passage 116a through the tunnel passage 116b, and are discharged from the outlet portion 116. Mainly oxygen and water are gathering passages 120c of the cell 106.
Collected at the exit passage 1 through the tunnel passage 120b
20a and is discharged from the outlet 120.
【0061】セル106による水素と酸素の電気化学的
な反応は、一方では酸素と水がポーラスガイド体11
0、正の触媒電極108を通り、イオン交換膜107の
表面に供給され、他方では水素と水がポーラスガイド体
111、負の触媒電極109を通り、イオン交換膜10
7の表面に供給され、この正の触媒電極108とイオン
交換膜107の界面及び負の触媒電極109とイオン交
換膜107の界面で行われる。イオン交換膜107は、
含水率により伸びが大きく変化するので、イオン交換膜
107の加湿レベルを常に適正に保ってイオン交換膜1
07の伸びを一定に保ち、界面を安定に保つことが必要
である。On the other hand, the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen by the cell 106 is such that oxygen and water react with each other in the porous guide body 11.
0, the positive catalyst electrode 108 is supplied to the surface of the ion exchange membrane 107, and on the other hand, hydrogen and water pass through the porous guide body 111 and the negative catalyst electrode 109, and the ion exchange membrane 10
7 is supplied to the surface of the positive electrode 7 and the interface between the positive catalyst electrode 108 and the ion exchange membrane 107 and the interface between the negative catalyst electrode 109 and the ion exchange membrane 107. The ion exchange membrane 107 is
Since the elongation greatly changes depending on the water content, the ion exchange membrane 1 should always be kept at a proper humidification level.
It is necessary to keep the elongation of 07 constant and keep the interface stable.
【0062】このセル106による反応ガスの水素と酸
素の電気化学的な反応で電気が発生し、その際に水が生
成されるが、このセル106内部の相対湿度による伸び
だけではなく、内部に発生する凝縮水、生成水、供給過
剰水などの過剰水が、イオン交換膜107に直接接触す
るとさらに伸び、セル106の性能が劣化するが、セル
106の両側の触媒電極108,109にポーラスガイ
ド体110,111を接触させて配置しており、セル1
06内部に発生する凝縮水、生成水、供給過剰水などの
過剰水をポーラスガイド体110,111により吸収し
て除去することができる。Electricity is generated by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen of the reaction gas by this cell 106, and water is generated at that time, but not only the expansion due to the relative humidity inside this cell 106 When excess water such as generated condensed water, generated water, and excess supply water directly contacts the ion exchange membrane 107, the water further expands and the performance of the cell 106 deteriorates. However, a porous guide is provided to the catalyst electrodes 108 and 109 on both sides of the cell 106. The cells 110 and 111 are arranged in contact with each other, and the cell 1
The porous guide bodies 110 and 111 can absorb and remove excess water such as condensed water, generated water, and excess supply water that are generated in the inside of 06.
【0063】このため、イオン交換膜107の伸びを防
止でき、セル106の性能を長期間、高効率に保つこと
ができ、また反応ガスの拡散性低下を防止している。こ
のように、特別な装置を使用しないで過剰水を除去する
ことができ、簡単、低価格、コンパクト及び軽量な装置
とすることができる。ポーラスガイド体110,111
により反応ガス通路112,113を形成することで、
水を供給する時にポーラスガイド体110,111によ
り吸収されて一部は反応ガス通路112,113に拡散
し、一部は直接触媒電極108,109へ移動すること
により加湿を効果的に行なうとともに、過剰水が発生し
た場合、これを吸収して不足時に供給するダンパー効果
があり、適量の加湿が可能である。Therefore, the expansion of the ion exchange membrane 107 can be prevented, the performance of the cell 106 can be maintained at high efficiency for a long period of time, and the diffusibility of the reaction gas can be prevented from decreasing. Thus, excess water can be removed without using a special device, and the device can be simple, low-priced, compact and lightweight. Porous guide body 110, 111
By forming the reaction gas passages 112 and 113 by
When water is supplied, it is absorbed by the porous guide bodies 110 and 111, part of which diffuses into the reaction gas passages 112 and 113, and part of which moves directly to the catalyst electrodes 108 and 109, thereby effectively humidifying, When excess water is generated, it has a damper effect of absorbing it and supplying it when there is a shortage, and an appropriate amount of humidification is possible.
【0064】また、燃料電池6のセルスタック103内
部に、イオン交換膜107、正の触媒電極108及び負
の触媒電極109から構成されている電極基材の外側に
水過剰時の吸収及び水不足時の供給のための水保管部A
を設け、停止時水保管部Aに水を保管しておき、起動時
水保管部Aの水を供給するように構成している。In addition, inside the cell stack 103 of the fuel cell 6, outside the electrode base material composed of the ion exchange membrane 107, the positive catalyst electrode 108 and the negative catalyst electrode 109, when water is absorbed and water is insufficient, Storage unit A for supplying water
Is provided, water is stored in the water storage unit A at the time of stop, and the water in the water storage unit A at the time of start is supplied.
【0065】このように、起動時水保管部Aの水を供給
することで、起動時に、水保管部Aがセル106とほぼ
同じ温度で上昇していくため、外部から水を供給するも
のに比べて正確な湿度管理ができる。また、停止時に、
水をセル106の内部または近傍に含んだ状態で水保管
部Aに保管できるので、保管中もセル106のイオン交
換膜107の湿度をほぼ飽和状態に保つことが可能であ
る。In this way, by supplying water from the water storage unit A at startup, the water storage unit A rises at approximately the same temperature as the cell 106 at startup. Compared to this, more accurate humidity control is possible. Also, when stopped,
Since water can be stored in the water storage unit A while being contained in or near the cell 106, the humidity of the ion exchange membrane 107 of the cell 106 can be kept substantially saturated even during storage.
【0066】さらに、燃料電池6の水の供給制御が容易
であり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が
可能となる。また、水の供給量をセル106が必要な最
小限度とすることができるので、水使用量の低減、水供
給に必要なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、
熱交換器等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効
率・小型軽量化が可能となる。Further, the water supply control of the fuel cell 6 is easy, and the water supply corresponding to the load fluctuation can be performed at the time of power generation. Further, since the amount of water supplied can be set to the minimum necessary for the cell 106, the amount of water used can be reduced, the pump power required for supplying water can be reduced, the amount of heating can be reduced, the vaporization unit,
It is possible to reduce the size of heat exchangers and the water tank, and to achieve high efficiency and small size and weight.
【0067】また、起動時水保管部Aに水を保管してお
き、定常時水保管部Aの水を供給するように構成してい
る。このように、定常時水保管部Aの水を供給するよう
にすることで、起動時に、凝縮水や過剰水を確保でき、
加湿水の供給量を低減できる。また、起動中、加湿に寄
与しない水がガス通路から除去されるので、発電開始か
ら性能を高く維持できる。Further, the water is stored in the starting-time water storage section A, and the steady-state water storage section A is supplied with the water. In this way, by supplying the water in the water storage unit A during steady state, it is possible to secure condensed water and excess water at the time of startup,
The supply amount of humidifying water can be reduced. In addition, during startup, water that does not contribute to humidification is removed from the gas passage, so high performance can be maintained from the start of power generation.
【0068】さらに、燃料電池6の水の供給制御が容易
であり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が
可能となる。また、水の供給量をセルが必要な最小限度
とすることができるので、水使用量の低減、水供給に必
要なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、熱交換
器等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効率・小
型軽量化が可能となる。Further, the water supply of the fuel cell 6 can be easily controlled, and the water can be supplied in response to load fluctuations during power generation. In addition, since the amount of water supply can be minimized to the minimum required by the cell, the amount of water used can be reduced, the pump power required for water supply can be reduced, the amount of heating can be reduced, and the vaporizer, heat exchanger, etc. The water tank can be made smaller and the water tank can be made smaller, resulting in higher efficiency, smaller size and lighter weight.
【0069】図11乃至図14は水保管部の他の実施例
を示している。図11の水保管部Aは、多層構造になっ
ており、第1保管部A1は通路300を有するポーラス
部材で形成され、第2保管部A2も同様にポーラス部材
で形成されている。水は、第1保管部A1の通路300
から第2保管部A2に吸収して保持されるが、第1保管
部A1が第2保管部A2より水の吸収が良く、水保管部
Aを多層構造にすることで保水量を増やしている。11 to 14 show another embodiment of the water storage unit. The water storage unit A in FIG. 11 has a multi-layer structure, the first storage unit A1 is formed of a porous member having a passage 300, and the second storage unit A2 is also formed of a porous member. Water is the passage 300 of the first storage unit A1.
Is absorbed and held in the second storage unit A2 from the above, but the first storage unit A1 absorbs water better than the second storage unit A2, and the water storage amount is increased by making the water storage unit A a multi-layer structure. .
【0070】図12の水保管部Aも、多層構造になって
おり、第1保管部A1は同様に通路300を有するポー
ラス部材で形成され、第2保管部A2はポーラス部材ま
たは不浸透材で形成されている。第2保管部A2の第1
保管部A1側に凹部を有しており、この凹部と第1保管
部A1との間に空間が形成され、この空間で通路301
を形成している。水は、第1保管部A1の通路300か
ら第2保管部A2に吸収して保持されるが、さらに通路
301によって水が多量に且つ確実に保持される。The water storage unit A shown in FIG. 12 also has a multi-layer structure. The first storage unit A1 is also formed of a porous member having a passage 300, and the second storage unit A2 is a porous member or an impermeable material. Has been formed. First of the second storage unit A2
The storage section A1 has a recess, and a space is formed between the recess and the first storage section A1.
Is formed. The water is absorbed and held in the second storage unit A2 from the passage 300 of the first storage unit A1, and a large amount of water is reliably held by the passage 301.
【0071】図13の水保管部Aも、多層構造になって
おり、第1保管部A1は通路300を有するポーラス部
材で形成され、第2保管部A2も同様にポーラス部材で
形成されているが、この第2保管部A2の外側に不浸透
材Cが配置されている。第1保管部A1には通路300
の間に、電極基材Bの外側と第2保管部A2とを連通す
るガイド通路302が形成されている。また、第2保管
部A2には、不浸透材Cとの間に水通路303が形成さ
れている。従って、負圧で引くことによって、第1保管
部A1に水が通路300から吸収され、さらにガイド通
路302により第2保管部A2に吸収され、水の吸収が
速くなっている。The water storage unit A in FIG. 13 also has a multi-layer structure, the first storage unit A1 is formed of a porous member having the passage 300, and the second storage unit A2 is also formed of a porous member. However, the impermeable material C is arranged outside the second storage portion A2. The first storage unit A1 has a passage 300
A guide passage 302 that connects the outside of the electrode base material B and the second storage portion A2 is formed between the two. A water passage 303 is formed between the second storage unit A2 and the impermeable material C. Therefore, by pulling with a negative pressure, water is absorbed in the first storage section A1 from the passage 300 and further absorbed in the second storage section A2 by the guide passage 302, so that the water is absorbed faster.
【0072】図14の水保管部Aも、多層構造になって
おり、第1保管部A1は通路300を有するポーラス部
材で形成され、この第1保管部A1の外側に不浸透材C
が配置されている。不浸透材Cには、第1保管部A1と
の間に水通路304が形成され、水が水通路304から
第1保管部A1に円滑に供給される。The water storage unit A of FIG. 14 also has a multi-layer structure, the first storage unit A1 is formed of a porous member having a passage 300, and the impermeable material C is provided outside the first storage unit A1.
Is arranged. A water passage 304 is formed between the impermeable material C and the first storage unit A1, and water is smoothly supplied from the water passage 304 to the first storage unit A1.
【0073】図15及び図16は水保管部Aの配置位置
を示している。図15の実施例では、電極基材で構成さ
れるセル106の両側にガス通路400が形成されてお
り、このガス通路400の空間内に水保管部Aが形成さ
れている。このように、水保管部Aが電極基材のセル1
06から離れた位置に配置され、水ポンプ401により
供給される水は水保管部Aに保管される。15 and 16 show the arrangement position of the water storage unit A. In the embodiment of FIG. 15, gas passages 400 are formed on both sides of the cell 106 made of an electrode base material, and a water storage portion A is formed in the space of the gas passages 400. As described above, the water storage unit A is the cell 1 having the electrode base material.
The water provided by the water pump 401 is stored in the water storage unit A at a position apart from 06.
【0074】図16の実施例では、電極基材で構成され
るセル106の両側に、水素の入口部115と、水素の
出口部116が設けられている。入口部115には、セ
ル106の積層方向に入口通路115aが形成され、こ
の入口通路115aから4個のトンネル通路115bが
セル106の分配通路115cに連通され、この入口側
に水保管部Aが形成される。In the embodiment shown in FIG. 16, a hydrogen inlet 115 and a hydrogen outlet 116 are provided on both sides of the cell 106 composed of an electrode base material. An inlet passage 115a is formed in the inlet portion 115 in the stacking direction of the cells 106, and four tunnel passages 115b are connected from the inlet passage 115a to the distribution passages 115c of the cell 106, and the water storage portion A is provided on the inlet side. It is formed.
【0075】また、出口部116には、セル106の積
層方向に出口通路116aが形成され、この出口通路1
16aから4個のトンネル通路116bがセル106の
集合通路116cに連通され、この出口側に水保管部A
が形成される。An outlet passage 116a is formed in the outlet portion 116 in the stacking direction of the cells 106.
Four tunnel passages 116b from 16a communicate with the collecting passage 116c of the cell 106, and the water storage unit A is provided on the outlet side.
Is formed.
【0076】次に、図17に基づき燃料電池システムの
運転について説明する。図17(a)において、特性曲
線a1は従来の運転を、特性曲線b1は請求項1記載の
発明を、特性曲線c1は請求項2記載の発明を示してい
る。また、図17(b)において、特性曲線a2は従来
の運転を、特性曲線b2は請求項1記載の発明を、特性
曲線c2は請求項2記載の発明を示している。Next, the operation of the fuel cell system will be described with reference to FIG. In FIG. 17A, the characteristic curve a1 indicates the conventional operation, the characteristic curve b1 indicates the invention described in claim 1, and the characteristic curve c1 indicates the invention described in claim 2. Further, in FIG. 17B, the characteristic curve a2 indicates the conventional operation, the characteristic curve b2 indicates the invention described in claim 1, and the characteristic curve c2 indicates the invention described in claim 2.
【0077】従来のものでは、停止時において、燃料電
池システムの停止操作直後に、燃料電池への水蒸気の供
給を徐々に停止する。保管時において、周囲の温度によ
り、セル内部の湿度が変化する。温度が低下により徐々
に飽和湿度に近づき、それを越えると水分が凝縮して通
路などを閉塞する。また、温度が上昇しても凝縮水が偏
在しているため、電極基材の膜への加湿効果は少ない。
起動時において、発電開始に先だって、外部から水(ま
たは水蒸気)を供給するための準備(ポンプを駆動し
て、加熱または熱交換により水蒸気を作る。)を行って
おく。発電開始にともない、セルの温度を適正温度まで
上昇させるとともに、外部から水(または水蒸気)を供
給していく。発電時において、出力及びセルの温度など
に応じて、水分供給量を変える必要があるため、頻繁に
加湿量を変えなくてはならない等の問題がある。In the conventional system, when the fuel cell system is stopped, the supply of water vapor to the fuel cell is gradually stopped immediately after the stop operation of the fuel cell system. During storage, the humidity inside the cell changes depending on the ambient temperature. As the temperature decreases, the humidity gradually approaches the saturated humidity, and when it exceeds the saturated humidity, water condenses and blocks passages and the like. Further, even if the temperature rises, since the condensed water is unevenly distributed, the effect of humidifying the membrane of the electrode base material is small.
At the time of start-up, preparation for supplying water (or steam) from the outside (driving a pump to generate steam by heating or heat exchange) is performed before power generation is started. With the start of power generation, the temperature of the cell is raised to an appropriate temperature and water (or steam) is supplied from the outside. During power generation, it is necessary to change the amount of water supplied according to the output, the temperature of the cell, and the like, so there is a problem in that the amount of humidification must be changed frequently.
【0078】請求項1記載の発明の燃料電池システム1
では、停止時において、水蒸気の供給を停止せず、発電
時と同じかまたはそれ以上の流量を送り続け、水保管部
Aに水として吸収させる。保管時において、周囲の温度
による飽和湿度に保たれ、凝縮分は、さらに吸収され
る。起動時において、発電開始にともない、セル106
の温度を適正温度まで上昇させる。これには、外部加熱
または自己発熱を用いる。外部からの水(または水蒸
気)供給は初期には行わず、水保管部Aの水を利用す
る。水保管部Aの水は、セル温度の上昇とともに温度が
上昇し、ガス通路へ蒸発していく。これにより、ガス通
路は飽和湿度近くに保たれる。保管水の自然蒸発による
加湿だけでは、時間的に限界があるので、起動時間を短
縮するために、一定時間経過後、外部から水(または水
蒸気)を供給していく。発電時において、水分の吸収・
放出効果を利用できるので、頻繁に加湿量を変えなくて
も適正加湿制御が可能である。The fuel cell system 1 according to the invention of claim 1
Then, at the time of stoppage, the supply of water vapor is not stopped, and the flow rate equal to or higher than that at the time of power generation is continued to be supplied to the water storage unit A as water. During storage, the saturated humidity is maintained according to the ambient temperature, and the condensed content is further absorbed. At the time of startup, the cell 106
Raise the temperature of to the proper temperature. External heating or self-heating is used for this. Water (or steam) is not supplied from the outside in the initial stage, but the water in the water storage unit A is used. The temperature of the water in the water storage unit A rises as the cell temperature rises and evaporates into the gas passage. This keeps the gas passages close to saturated humidity. Since there is a time limit only by humidifying the stored water by natural evaporation, water (or steam) is supplied from the outside after a certain period of time in order to shorten the startup time. Absorption of water during power generation
Since the release effect can be used, proper humidification control is possible without frequently changing the humidification amount.
【0079】また、請求項2記載の発明の燃料電池シス
テム1では、停止時において、システムの停止操作直後
に、水蒸気の供給を徐々に停止する。保管時において、
周囲の温度による飽和湿度に保たれる。凝縮分は、さら
に吸収される。起動時において、発電開始に先だって、
外部から水(または水蒸気)を供給するための準備(ポ
ンプを駆動して、加熱または熱交換により水蒸気を作
る。)を行っておく。発電開始にともない、セルの温度
を適正温度まで上昇させるとともに、外部から水(また
は水蒸気)を供給していく。水保管部Aの水を多少利用
できるため、外部からの水(または水蒸気)供給は初期
には行わず水保管部Aの水を利用する。そのため水供給
量は従来に比べて少なくて済む。水を供給しながら、水
保管部Aに水を保管しておき後で湿度管理に使う。発電
時において、水分の吸収・放出効果を利用できるので、
頻繁に加湿量を変えなくても適正加湿制御が可能であ
る。Further, in the fuel cell system 1 according to the second aspect of the present invention, at the time of stop, the supply of steam is gradually stopped immediately after the stop operation of the system. During storage,
Maintained at saturated humidity due to ambient temperature. The condensed matter is further absorbed. At start-up, before power generation starts,
Preparations for supplying water (or steam) from the outside (driving a pump to generate steam by heating or heat exchange) are performed. With the start of power generation, the temperature of the cell is raised to an appropriate temperature and water (or steam) is supplied from the outside. Since the water in the water storage unit A can be used to some extent, water (or steam) is not supplied from the outside in the initial stage, and the water in the water storage unit A is used. Therefore, the water supply amount can be smaller than the conventional one. While supplying water, store the water in the water storage unit A and use it for humidity control later. During power generation, the effect of absorbing and releasing water can be used,
Proper humidification control is possible without changing the humidification amount frequently.
【0080】図18は燃料電池システムの他の実施例を
示す構成図である。この実施例の燃料電池6は、図1と
同様に構成されるが、図1と異なりエア用ポンプ500
の駆動で改質装置3に配置される加熱部501に水タン
ク8から空気を送り、この加熱部501で加熱された空
気を燃料電池6の入口側502に送るように構成されて
いる。また、水用加湿ポンプ510の駆動で改質装置3
に配置される加熱部511に水タンク8から水を送り、
この加熱部511で加熱された水を燃料電池6の入口側
512に送るように構成されている。FIG. 18 is a block diagram showing another embodiment of the fuel cell system. The fuel cell 6 of this embodiment has the same structure as that of FIG. 1, but differs from that of FIG.
The air is sent from the water tank 8 to the heating unit 501 arranged in the reformer 3 by the driving of, and the air heated by the heating unit 501 is sent to the inlet side 502 of the fuel cell 6. Further, the reforming device 3 is driven by driving the water humidification pump 510.
Sends water from the water tank 8 to the heating unit 511 arranged in
The water heated by the heating unit 511 is configured to be sent to the inlet side 512 of the fuel cell 6.
【0081】燃料電池6では、水素側は入口が水分多
く、また空気側は出口が水分多くなる。このため、所定
のタイミングでエア用ポンプ500の駆動で改質装置3
に配置される加熱部501に送り、この加熱部501で
加熱された空気を燃料電池6の入口側502に送る。ま
た、所定のタイミングで水素用加湿ポンプ510の駆動
で改質装置3に配置される加熱部511に水タンク8か
ら水素を送り、この加熱部511で加熱された水素を燃
料電池6の入口側512に送る。In the fuel cell 6, the hydrogen side has a large amount of water at the inlet and the air side has a large amount of water at the outlet. Therefore, the reformer 3 is driven by driving the air pump 500 at a predetermined timing.
To the inlet side 502 of the fuel cell 6 by sending the air heated by the heating unit 501. Further, by driving the humidifying pump 510 for hydrogen at a predetermined timing, hydrogen is sent from the water tank 8 to the heating unit 511 arranged in the reformer 3, and the hydrogen heated by the heating unit 511 is supplied to the inlet side of the fuel cell 6. Send to 512.
【0082】このように、エア用ポンプ500及び水用
加湿ポンプ510の駆動による入換え、これにより水分
を均一に保つことができ、この入換えのタイミングは、
一定時間おき、一定電流量発生後、一定電力量発生後、
負荷が0(または一定値以下)になる度毎、或は起動/
停止の度毎に行なう。この空気の入換えは、バルブ50
3,504の作動で行ない、また水素の入換えは、バル
ブ513,514の作動で行なう。As described above, the replacement can be carried out by driving the air pump 500 and the water humidification pump 510, whereby the water content can be kept uniform, and the replacement timing is
After a certain amount of electric current and a certain amount of electric power,
Every time the load becomes 0 (or below a certain value), or start /
Do it every time you stop. This air replacement is performed by the valve 50.
3, 504 is operated, and replacement of hydrogen is performed by operating valves 513, 514.
【0083】[0083]
【発明の効果】前記したように、請求項1記載の発明
は、改質による反応ガスの一部を触媒層から取出して、
加熱器に戻すように構成し、触媒層から改質による反応
ガスを一部取出すから、反応ガス取出部の下流側では処
理量が減少するので相対的に空間速度が低下して、反応
に有利な状態になり、また発熱レベルも低下するので、
平衡は反応の進む側に移り、反応転化率は向上する。ま
た、反応ガス取出部よりも上流側では、下流側での発熱
レベルが低下しているので、加熱器による加熱量を高め
て反応を効果的におこすことが可能となり、触媒層の入
口側に熱を集中でき、触媒層の出口側での発熱量が減っ
て温度均一化可能となり、改質装置の性能が向上し、か
つ小型化し、それによる加熱器の小型化が可能となる。As described above, according to the invention of claim 1, a part of the reaction gas by reforming is taken out from the catalyst layer,
It is configured to return to the heater, and part of the reaction gas by reforming is taken out from the catalyst layer.Therefore, the amount of treatment is reduced on the downstream side of the reaction gas extraction part, so the space velocity is relatively reduced, which is advantageous for the reaction. And the fever level will drop,
The equilibrium shifts to the side where the reaction proceeds, and the reaction conversion rate improves. Further, since the heat generation level on the downstream side is lower on the upstream side than the reaction gas extraction part, it is possible to increase the amount of heating by the heater to effectively carry out the reaction, and to the inlet side of the catalyst layer. The heat can be concentrated, the amount of heat generated on the outlet side of the catalyst layer can be reduced and the temperature can be made uniform, the performance of the reformer can be improved, and the size of the reformer can be reduced, thereby reducing the size of the heater.
【0084】さらに、反応ガス取出部から直接加熱器に
反応ガスを供給するから、燃料電池のセル用に精製した
ガスを燃料とする場合に比べて、精製のためのエネルギ
ーが不要となり、効率が良い。また、改質装置の後工程
でも処理量を低減できるから、転化率の向上、機器の小
型化が可能となる。Furthermore, since the reaction gas is supplied directly from the reaction gas extraction section to the heater, energy for purification is unnecessary and efficiency is improved as compared with the case where the gas purified for the cells of the fuel cell is used as fuel. good. Further, since the processing amount can be reduced even in the post-process of the reforming apparatus, it is possible to improve the conversion rate and downsize the device.
【0085】請求項2記載の発明は、燃料電池のセルス
タック内部に、電極基材の外側に水過剰時の吸収及び水
不足時の供給のための水保管部を設け、停止時水保管部
に水を保管しておき、起動時前記水保管部の水を供給す
るように構成し、起動時水保管部の水を供給するように
するから、起動時に、水保管部がセルとほぼ同じ温度で
上昇していくため、外部から水を供給するものに比べて
正確な湿度管理ができる。また、停止時に、水をセルの
内部または近傍に含んだ状態で保管できるので、保管中
もセルのイオン交換膜の湿度をほぼ飽和状態に保つこと
が可能である。According to a second aspect of the present invention, a water storage unit for absorbing excess water and supplying water when water is insufficient is provided outside the electrode substrate inside the cell stack of the fuel cell. Since water is stored and the water in the water storage section is supplied at startup, and the water in the water storage section is supplied at startup, the temperature of the water storage section is almost the same as that of the cell at startup. Since the temperature rises at a higher temperature, it is possible to control humidity more accurately than when water is supplied from the outside. In addition, since water can be stored in the cell or in the vicinity of the cell when stopped, it is possible to keep the humidity of the ion exchange membrane of the cell substantially saturated even during storage.
【0086】さらに、燃料電池の水の供給制御が容易で
あり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が可
能となる。また、水の供給量をセルが必要な最小限度と
することができるので、水使用量の低減、水供給に必要
なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、熱交換器
等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効率・小型
軽量化が可能となる。Further, it is possible to easily control the water supply of the fuel cell, and it is possible to supply the water corresponding to the load fluctuation during the power generation. In addition, since the amount of water supply can be minimized to the minimum required by the cell, the amount of water used can be reduced, the pump power required for water supply can be reduced, the amount of heating can be reduced, and the vaporizer, heat exchanger, etc. The water tank can be made smaller and the water tank can be made smaller, resulting in higher efficiency, smaller size and lighter weight.
【0087】請求項3記載の発明は、燃料電池のセルス
タック内部に、電極基材の外側に水過剰時の吸収及び水
不足時の供給のための水保管部を設け、起動時水保管部
に水を保管しておき、定常時前記水保管部の水を供給す
るように構成し、定常時水保管部の水を供給するように
するから、起動時に、凝縮水や過剰水を確保できるの
で、加湿水の供給量を低減できる。また、起動中、加湿
に寄与しない水がガス通路から除去されるので、発電開
始から性能を高く維持できる。According to a third aspect of the present invention, a water storage unit for absorbing excess water and supplying water when water is insufficient is provided outside the electrode base material inside the cell stack of the fuel cell. Since water is stored and the water in the water storage section is supplied at steady time, and the water in the water storage section at steady time is supplied, condensed water and excess water can be secured at startup. The amount of humidifying water supplied can be reduced. In addition, during startup, water that does not contribute to humidification is removed from the gas passage, so high performance can be maintained from the start of power generation.
【0088】さらに、燃料電池の水の供給制御が容易で
あり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が可
能となる。また、水の供給量をセルが必要な最小限度と
することができるので、水使用量の低減、水供給に必要
なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、熱交換器
等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効率・小型
軽量化が可能となる。Further, it is possible to easily control the water supply of the fuel cell, and it is possible to supply the water corresponding to the load fluctuation during the power generation. In addition, since the amount of water supply can be minimized to the minimum required by the cell, the amount of water used can be reduced, the pump power required for water supply can be reduced, the amount of heating can be reduced, and the vaporizer, heat exchanger, etc. The water tank can be made smaller and the water tank can be made smaller, resulting in higher efficiency, smaller size and lighter weight.
【図1】燃料電池システムの実施例を示す構成図であ
る。FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell system.
【図2】改質装置の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a reformer.
【図3】図2のIII-III線に沿う断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III in FIG. 2;
【図4】改質装置の他の実施例を示す構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram showing another embodiment of the reformer.
【図5】改質装置のさらに他の実施例を示す構成図であ
る。FIG. 5 is a configuration diagram showing still another embodiment of the reformer.
【図6】改質装置の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a reformer.
【図7】図6のVII-VII線に沿う断面図である。FIG. 7 is a sectional view taken along the line VII-VII of FIG. 6;
【図8】燃料電池の正面図である。FIG. 8 is a front view of a fuel cell.
【図9】図8のIX-IX線に沿う断面図である。FIG. 9 is a sectional view taken along the line IX-IX of FIG.
【図10】図8のX−X線及びY−Y線に沿う断面図で
ある。10 is a cross-sectional view taken along line XX and YY of FIG.
【図11】水保管部の他の実施例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing another embodiment of the water storage unit.
【図12】水保管部の他の実施例を示す図である。FIG. 12 is a view showing another embodiment of the water storage unit.
【図13】水保管部の他の実施例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing another embodiment of the water storage unit.
【図14】水保管部の他の実施例を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing another embodiment of the water storage unit.
【図15】水保管部の配置を示す他の実施例を示す図で
ある。FIG. 15 is a diagram showing another embodiment showing the arrangement of the water storage unit.
【図16】水保管部の配置を示す他の実施例を示す図で
ある。FIG. 16 is a diagram showing another embodiment showing the arrangement of the water storage unit.
【図17】燃料電池システムの運転について説明するず
である。FIG. 17 is a diagram for explaining the operation of the fuel cell system.
【図18】燃料電池システムの他の実施例を示す構成図
である。FIG. 18 is a configuration diagram showing another embodiment of the fuel cell system.
1 燃料電池システム 10 加熱器 11 蒸発器 12 触媒層 1 Fuel Cell System 10 Heater 11 Evaporator 12 Catalyst Layer
Claims (3)
器で気化した原料を触媒層に供給するようにした改質装
置により、原料を改質して水素を製造し、得られた水素
を燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムにお
いて、前記改質による反応ガスの一部を前記触媒層から
取出して、前記加熱器に戻すように構成したことを特徴
とする燃料電池システム。1. A hydrogen obtained by reforming a raw material by a reformer configured to heat the evaporator by a heater and supply the raw material vaporized by the vaporizer to a catalyst layer. In a fuel cell system for supplying power to a fuel cell to generate electric power, wherein a part of the reaction gas by the reforming is taken out from the catalyst layer and returned to the heater.
器で気化した原料を触媒層に供給するようにした改質装
置により、原料を改質して水素を製造し、得られた水素
を燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムにお
いて、前記燃料電池のセルスタック内部に、電極基材の
外側に水過剰時の吸収及び水不足時の供給のための水保
管部を設け、停止時前記水保管部に水を保管しておき、
起動時前記水保管部の水を供給するように構成したこと
を特徴とする燃料電池システム。2. The hydrogen obtained by reforming the raw material by a reformer configured to heat the evaporator by a heater and supply the raw material vaporized by the vaporizer to the catalyst layer. In a fuel cell system that supplies electricity to a fuel cell to generate electricity, a water storage unit is provided inside the cell stack of the fuel cell outside the electrode base material for absorbing excess water and supplying water when insufficient. When storing water in the water storage section,
A fuel cell system configured to supply water from the water storage unit at startup.
器で気化した原料を触媒層に供給するようにした改質装
置により、原料を改質して水素を製造し、得られた水素
を燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムにお
いて、燃料電池のセルスタック内部に、電極基材の外側
に水過剰時の吸収及び水不足時の供給のための水保管部
を設け、起動時前記水保管部に水を保管しておき、定常
時前記水保管部の水を供給するように構成したことを特
徴とする燃料電池システム。3. The obtained hydrogen is produced by reforming the raw material by a reforming device configured to heat the vaporizer by a heater and supply the vaporized raw material to the catalyst layer. In a fuel cell system that supplies electricity to a fuel cell to generate electricity, a water storage unit is provided inside the cell stack of the fuel cell outside the electrode base material for absorbing excess water and supplying water when insufficient. A fuel cell system characterized in that water is stored in the water storage unit, and the water in the water storage unit is supplied in a steady state.
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| JP3282066B2 (en) | 2002-05-13 |
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