JP2001023674A

JP2001023674A - りん酸型燃料電池発電設備

Info

Publication number: JP2001023674A
Application number: JP11192520A
Authority: JP
Inventors: Susumu Takeshige; 晋竹重; Kiyoshi Tsuru; 潔都留
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2001-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】原材料に含まれる窒素により改質器で生成し
たアンモニアを効率的に除去する。【解決手段】燃料ガス中に含まれているアンモニアを
除去するために、燃料電池７上流にアンモニア除去装置
を設け、このアンモニア除去装置は、燃料ガスの温度を
下げると共に電池空気の予熱を行なう電池空気予熱器１
５と、燃料ガスの温度を下げるための冷却熱交換器１６
と、アンモニア吸着触媒が充填されたアンモニア吸収塔
１４とから構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、りん酸型燃料電
池発電設備に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来のりん酸型燃料電池発電設備
を示す構成図であり、図において、３１は都市ガスや天
然ガスなどの原燃料中の硫黄分を水素を用いて除去する
脱硫器である。そしてこの脱硫器３１内には、上流側に
水添脱硫触媒、下流側に高温吸着触媒が充填されてい
る。３２は原燃料を脱硫器３１の動作温度まで昇温する
原燃料予熱器、３３はスチームを供給する水蒸気分離
器、３４は原燃料とスチームの混合流体を反応させて水
素を含む改質ガスを生成する改質器、３５は原燃料とス
チームの混合流体を予熱する原料予熱器、３６は改質器
３４を出た改質ガス中の一酸化炭素を水素に変換するＣ
Ｏ変成器、３７はＣＯ変成器３６を出た改質ガス中の水
素と空気中の酸素を反応させて発電する燃料電池で、３
７ａは改質ガスを供給する燃料極、３７ｂは空気を供給
する空気極、３７ｃは発電時の発熱を逃す冷却器であ
る。

【０００３】３８はＣＯ変成器３６を出た改質ガスの一
部を脱硫器３１の上流にリサイクルするための水添用リ
サイクルガスラインであり、３９はこのリサイクルガス
ライン３８を開閉するための遮断弁である。４０は水蒸
気分離器３３より供給されるスチームを用いて原燃料を
吸引し、スチームと混合するスチームエゼクタ、４１は
プラント昇温用の窒素の供給口、４２はメインバーナの
安定性を確保するためのパイロットバーナ燃料のライ
ン、４３は改質器３７の昇温のために使用するバーナ燃
料のラインである。

【０００４】次に動作について説明する。都市ガスや天
然ガスからなる原燃料は、原燃料予熱器３２によって水
素添加（以下水添と略す）され、脱硫反応に適した温度
（３００℃〜４００℃）まで昇温された後、脱硫器３１
に供給される。脱硫器３１は水添反応型の水添脱硫触媒
と吸着型の高温吸着触媒の２種類の触媒から構成されて
いる。水添脱硫触媒で有機硫黄分を水素と反応させ、硫
化水素に変換する。高温吸着触媒は、主に酸化亜鉛で構
成されており、硫化水素を硫化亜鉛とすることにより除
去する。

【０００５】硫黄分は下流の改質器３４内の改質触媒を
被毒し、反応活性を下げるために脱硫器３１で除去す
る。脱硫された原燃料は、水蒸気分離器３３より供給さ
れるスチームの駆動力により、スチームエゼクタ４０に
より吸引され、スチームと混合されて、原料予熱器３５
で改質反応に適した温度まで昇温された後、改質器３４
に供給される。改質器３４で改質反応により生成された
改質ガスは、原料予熱器３５と原燃料予熱器３２で冷却
された後、ＣＯ変成器３６に供給される。ＣＯ変成器３
６で改質ガス中の一酸化炭素が水素に変化された後、燃
料電池３７の燃料極３７ａに供給され、ここで空気極３
７ｂに供給された空気中の酸素と反応して発電が起こ
る。

【０００６】ＣＯ変成器３６を出た改質ガスの一部は、
スチームエゼクタ４０により吸引されて、水添用リサイ
クルガスライン３８を通じて脱硫器３１の上流にリサイ
クルされる。脱硫器３１の水添反応に必要な水素は、原
燃料の５％程度の水素濃度とするのが一般的であり、そ
れに近い濃度となるようにリサイクルする流量が設定さ
れる。

【０００７】原燃料に汚泥消化ガスや食品工場における
排水消化ガスなどを用いる場合、原燃料中には窒素やア
ンモニアが含まれていることが多い。原燃料中に含まれ
る窒素は、下記（ａ）式に示すように改質器３４で生成
した水素と反応し、アンモニアを生成する。原燃料ガス
中に含まれている窒素濃度数％に対してアンモニア生成
濃度は数十ｐｐｍ程度である。

【０００８】Ｎ₂＋３Ｈ₂→２ＮＨ₃ ・・・（ａ）式

【０００９】アンモニアが燃料電池に供給されると、燃
料極３７ａ，空気極３７ｂに存在する電解質であるりん
酸と反応してりん酸アンモニウムを生成する。このりん
酸アンモニウムの生成に電解質であるりん酸が消費され
るために、燃料電池３７中のりん酸が不足することとな
り、燃料電池３７の電圧低下が生じる。従って、起動、
停止、連続運転中に安定してアンモニアを除去するアン
モニア除去の機能を持った装置を追加する必要がある。

【００１０】燃料ガス中のアンモニア除去方法として、
噴霧式吸収装置(シャワー方式)などの従来例があるが、
吸収液(酸性洗浄液、水など)がアンモニアに汚染され、
汚染された吸収液を連続的に処理することが困難であっ
た。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のりん酸型燃料電
池発電設備は以上のように構成されているので、天然ガ
スや都市ガスからなる原燃料には、窒素やアンモニアが
含まれていないが、常時数％の窒素と数十ｐｐｍのアン
モニアを含む汚泥消化ガスなどを原燃料とすると、アン
モニアによる電池の一次被毒により、電池の特性が低下
するという問題点があった。又、燃料ガス中のアンモニ
アを除去するために噴霧式吸収装置を用いると、汚染さ
れた吸収液を連続的に処理することが困難であった。

【００１２】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、原燃料に含まれる窒素により改
質器で生成したアンモニアを効率的に除去し、アンモニ
ア除去装置のコンパクト化、または、アンモニア除去の
信頼性を向上させることを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
るりん酸型燃料電池発電設備は、原燃料中の硫黄分を除
去する脱硫器と、スチームと原燃料を混合した混合ガス
から改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを変成ガス
に変成するＣＯ変成器と、変成ガスを燃料ガスとして発
電する燃料電池とからなるものであって、更に燃料電池
上流側に燃料ガスの温度を下げると共に電池空気の予熱
を行なう電池空気予熱器と、燃料ガスの温度を下げるた
めの冷却熱交換器と、燃料ガス中に含まれるアンモニア
を除去するためのアンモニア吸収塔とを備えたものであ
る。

【００１４】この発明の請求項２に係るりん酸型燃料電
池発電設備は、冷却熱交換器に用いる冷却水流量を調節
するための冷却水流量調節弁を設けたものである。

【００１５】この発明の請求項３に係るりん酸型燃料電
池発電設備は、電池空気予熱器の上流側と冷却熱交換器
の下流側との間に燃料ガスバイパスラインをつないだも
のである。

【００１６】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
一実施形態を図について説明する。図１はこの発明の実
施の形態１によるりん酸型燃料電池発電設備を示す構成
図であり、図において、１は都市ガスや天然ガスなどの
原燃料中の硫黄分を水素を用いて除去する脱硫器であ
る。そしてこの脱硫器１内には、上流側に水添脱硫触
媒、下流側に高温吸着触媒が充填されている。２は原燃
料を脱硫器１の動作温度まで昇温する原燃料予熱器、３
はスチームを供給する水蒸気分離器、４は原燃料とスチ
ームの混合流体を反応させて水素を含む改質ガスを生成
する改質器、５は原燃料とスチームの混合流体を予熱す
る原料予熱器、６は改質器４を出た改質ガス中の一酸化
炭素を水素に変換するＣＯ変成器、７はＣＯ変成器６を
出た改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させて発電
する燃料電池で、７ａは改質ガスを供給する燃料極、７
ｂは空気を供給する空気極、７ｃは発電時の発熱を逃す
冷却器である。

【００１７】８はＣＯ変成器６を出た改質ガスの一部を
脱硫器１の上流にリサイクルするための水添用リサイク
ルガスラインであり、９はこのリサイクルガスライン８
を開閉するための遮断弁である。１０は水蒸気分離器３
より供給されるスチームを用いて原燃料を吸引し、スチ
ームと混合するスチームエゼクタ、１１はプラント昇温
用の窒素の供給口、１２はメインバーナの安定性を確保
するためのパイロットバーナ燃料のライン、１３は改質
器７の昇温のために使用するバーナ燃料のラインであ
る。

【００１８】更に１４はアンモニア吸収塔であり、この
アンモニア吸収塔１４にはアンモニア等の塩基性ガスを
吸収する特殊活性炭などのアンモニア吸着触媒が充填さ
れている。一般にこの触媒の使用条件は、触媒温度１０
０℃程度以下であり、また触媒層での水分の凝縮は避け
ることが望ましく、温度が低い方が吸着特性は良いとさ
れている。１５は燃料ガスの温度を下げ、同時に電池空
気の予熱を行うための電池空気予熱器、１６は燃料ガス
の温度を下げるための冷却熱交換器、１７は冷却熱交換
器１６に使用する冷却水ライン、１８は冷却水により回
収された熱を利用する低位排熱回収設備である。

【００１９】次に動作について説明する。汚泥消化ガス
のように窒素、アンモニアを含んだ原燃料を供給し、改
質器４でアンモニアがｐｐｍオーダで生成した場合にお
いても、アンモニアを含んだ２００℃程度の燃料ガスは
ＣＯ変成器６を出て、まず電池空気予熱器１５によって
１００℃程度まで降温される。１００℃程度まで降温さ
れた燃料ガスは、冷却熱交換器１６に導入され、冷却水
などの冷却水により、アンモニア吸着触媒の使用可能な
温度までさらに降温される。燃料ガスには３０％程度の
水蒸気が含まれていて飽和蒸気温度は７１℃程度なの
で、アンモニア吸収塔１４内で凝縮させないようにする
ことも考慮すると、アンモニア吸収塔１４には７５〜１
００℃程度の燃料ガスが供給されるようにする。

【００２０】アンモニア吸収塔１４に供給された燃料ガ
スはアンモニアを１ｐｐｍ以下まで除去する。アンモニ
アを除去した燃料ガスは電池燃料極７ａに供給される。
電池空気予熱器１５では燃料ガスを冷却するのと同時に
電池に導入される空気の予熱も行っている。予熱された
空気を電池空気極７ｂに供給するので、電池冷却器７ｃ
による高位排熱回収量の大幅な低下はなくなる。さら
に、冷却熱交換器１６に導入する冷却水を低位排熱回収
設備１８で熱回収すれば、排熱回収量は保持できる。

【００２１】以上のように本実施形態におけるりん酸型
燃料電池発電設備においては、アンモニアが含まれてい
る２００℃程度の燃料ガスは電池空気予熱器１５、冷却
熱交換器１６によりアンモニア吸着触媒の使用可能な温
度（最高温度１００℃程度）であり、かつアンモニア吸
収塔１４で燃料ガスが凝縮しない温度範囲まで降温され
る。そして、燃料ガス中に含まれているアンモニアは、
アンモニア吸着触媒により１ｐｐｍ以下まで除去され、
アンモニア吸着触媒でアンモニアが除去された燃料ガス
が燃料電池７に供給される。

【００２２】実施の形態２．図２はこの発明の実施の形
態２によるりん酸型燃料電池発電設備を示す構成図であ
り、図において、１９は冷却水流量調節弁であり、冷却
熱交換器１６の冷却水ライン１７に設置されている。２
０はアンモニア吸収塔入口温度センサであり、アンモニ
ア吸収塔１４の入口に設置されている。

【００２３】次に動作について説明する。汚泥消化ガス
のように窒素、アンモニアを含んだ原燃料を供給し、改
質器４でアンモニアがｐｐｍオーダで生成した場合にお
いても、電池空気予熱器１５，冷却熱交換器１６，アン
モニア吸収塔１４を用いることで、排熱回収量の大幅な
低下なく、アンモニアを除去した燃料ガスを電池燃料極
７ａに供給することが可能なのは上記実施の形態１の場
合と同じである。

【００２４】本実施形態の場合、アンモニア吸収塔入口
温度センサ２０を設けることにより、アンモニア吸収塔
１４の入口の燃料ガス温度を監視し、冷却水流量調整弁
１９を制御することで、プラントの起動・停止・負荷変
動などのプラントが安定していない状態でも、アンモニ
ア吸収塔１４に供給される燃料ガス温度をアンモニア吸
着触媒の使用条件の温度範囲になるようにすることがで
きる。

【００２５】これは、アンモニア吸着触媒の劣化、およ
び一時的にアンモニアがアンモニア吸収塔１４の下流へ
漏れることを防止できる。また、冷却水流量調節弁１９
の調整により、冷却水の昇温温度を低位排熱回収設備１
８で利用し易い５０〜６０℃に制御することができる。

【００２６】本実施形態におけるりん酸型燃料電池発電
設備では、アンモニアが含まれている２００℃程度の燃
料ガスは、電池空気予熱器１５，冷却熱交換器１６によ
りアンモニア吸着触媒の使用可能な温度（最高温度１０
０℃程度）であり、かつアンモニア吸収塔１４で燃料ガ
スが凝縮しない温度範囲まで降温される。そして更に冷
却熱交換器１６の冷却水系内に設けられた冷却水流量調
整弁１９を用いて冷却水流量を調整することで、冷却熱
交換器１６出口の燃料ガス温度を制御し、また燃料ガス
流量が変動する場合でも、冷却水の昇温温度を制御でき
る。

【００２７】そして燃料ガス中に含まれているアンモニ
アは、アンモニア吸着触媒により１ｐｐｍ以下まで除去
され、アンモニア吸着触媒でアンモニアが除去された燃
料ガスは燃料電池７に供給される。

【００２８】実施の形態３．図３はこの発明の実施の形
態３によるりん酸型燃料電池発電設備を示す構成図であ
り、図において、２１は燃料ガスバイパスラインであ
る。冷却熱交換器１６によって冷却された燃料ガスに燃
料ガスバイパスライン２１を介して高温の燃料ガスを混
合させることで、アンモニア吸着触媒の使用条件の温度
範囲でしかも凝縮しにくい乾いた燃料ガス（飽和蒸気圧
の低い燃料ガス）をアンモニア吸収塔１４に供給するこ
とができる。これは、アンモニア吸着触媒の劣化、およ
び一時的にアンモニアがアンモニア吸収塔１４の下流へ
漏れることを防止することができる。又、燃料ガスバイ
パスライン２１には、燃料ガスバイパス流量を調節する
ための調整弁を設けてもよい。

【００２９】次に動作について説明する。汚泥消化ガス
のように、窒素、アンモニアを含んだ原燃料を供給し、
改質器４でアンモニアがｐｐｍオーダで生成した場合に
おいても、電池空気予熱器１５，冷却熱交換器１６，ア
ンモニア吸収塔１４を用いることで、排熱回収量の大幅
な低下なく、アンモニアを除去した燃料ガスを電池燃料
極７ａに供給することが可能なのは上記実施の形態１の
場合と同じである。

【００３０】本実施形態の場合、冷却熱交換器１６で燃
料ガスを５０℃程度まで凝縮させ降温させる。冷却され
た燃料ガスは飽和蒸気状態であるので、このままアンモ
ニア吸収塔１４に供給すると凝縮が生じ、アンモニア吸
着触媒が劣化する。この凝縮を防ぐために、電池空気予
熱器１５の上流から分岐した燃料ガスバイパスライン２
１から２００℃の燃料ガスを混合させ、飽和蒸気状態の
燃料ガスを昇温させることで、乾いた燃料ガスをアンモ
ニア吸収塔１４に供給する。

【００３１】例えば、３６０Nm³/h、２００℃、水分３
０％の燃料ガスの場合、６０Nm³/hを燃料ガスバイパス
ライン２１に、残りの３００Nm³/hを電池空気予熱器１
５に分配し、冷却熱交換器１６で５０℃まで冷却する
と、冷却熱交換器１６で５０kg/hの凝縮水が発生し、２
４０Nm³/h、５０℃、１２％の飽和蒸気状態の燃料ガス
となる。この飽和蒸気状態の燃料ガスに燃料ガスバイパ
スライン２１を介して６０Nm³/h、２００℃、水分３０
％の燃料ガスを混合させると、３００Nm³/h、８０℃、
水分１６％の燃料ガスとなる。

【００３２】８０℃の飽和蒸気分圧は４７％であり、飽
和蒸気圧の低い燃料ガスをアンモニア吸収塔１４に供給
できる。因みに実施の形態１の場合、冷却熱交換器１６
で８０℃まで冷却した場合、８０℃の飽和蒸気分圧４７
％に対し、燃料ガスの水分３０％である。本実施形態で
は、より凝縮し難い燃料ガスを供給でき、冷却熱交換器
１６の下流に再加熱の熱交換器などを設置することなど
の大幅な機器追加もなく、低コストで実施可能である。

【００３３】以上のように本実施形態におけるりん酸型
燃料電池発電設備では、アンモニアが含まれている２０
０℃程度の燃料ガスは、電池空気予熱器１５，冷却熱交
換器１６により燃料ガスを５０℃まで凝縮させ降温す
る。５０℃に降温した飽和蒸気の燃料ガスに電池空気予
熱器１５の上流で分岐させた２００℃の燃料ガスを混合
させ、アンモニア吸収塔１４での水分が凝縮しにくい燃
料ガスをアンモニア吸収塔１４に供給することができ
る。

【００３４】燃料ガス中に含まれているアンモニアは、
アンモニア吸着触媒により１ｐｐｍ以下まで除去され
る。アンモニア吸着触媒でアンモニアが除去された燃料
ガスは、再生熱交換器により昇温されて燃料電池にて供
給される。

【００３５】

【発明の効果】この発明の請求項１に係るりん酸型燃料
電池発電設備によれば、原燃料中の硫黄分を除去する脱
硫器と、スチームと原燃料を混合した混合ガスから改質
ガスを生成する改質器と、改質ガスを変成ガスに変成す
るＣＯ変成器と、変成ガスを燃料ガスとして発電する燃
料電池とからなるものであって、燃料電池上流側に燃料
ガスの温度を下げると共に電池空気の予熱を行なう電池
空気予熱器と、燃料ガスの温度を下げるための冷却熱交
換器と、燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去するた
めのアンモニア吸収塔とを備えたので、改質器で生成し
たアンモニアを効率的に除去できる。

【００３６】この発明の請求項２に係るりん酸型燃料電
池発電設備によれば、冷却熱交換器に用いる冷却水流量
を調節するための冷却水流量調節弁を設けたので、プラ
ントが安定していない状態でも、アンモニア吸収塔に供
給される燃料ガス温度をアンモニア吸着触媒の使用条件
の温度範囲になるようにすることができる。

【００３７】この発明の請求項３に係るりん酸型燃料電
池発電設備によれば、電池空気予熱器の上流側と冷却熱
交換器の下流側との間に燃料ガスバイパスラインをつな
いだので、より凝縮し難い燃料ガスを供給することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１によるりん酸型燃料
電池発電設備を示す構成図である。

【図２】この発明の実施の形態２によるりん酸型燃料
電池発電設備を示す構成図である。

【図３】この発明の実施の形態３によるりん酸型燃料
電池発電設備を示す構成図である。

【図４】従来のりん酸型燃料電池発電設備を示す構成
図である。

【符号の説明】

１脱硫器、４改質器、６ＣＯ変成器、７燃料電
池、１４アンモニア吸収塔、１５電池空気予熱器、
１６冷却熱交換器、１９冷却水流量調節弁、２１
燃料ガスバイパスライン。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原燃料中の硫黄分を除去する脱硫器と、
スチームと原燃料を混合した混合ガスから改質ガスを生
成する改質器と、上記改質ガスを変成ガスに変成するＣ
Ｏ変成器と、上記変成ガスを燃料ガスとして発電する燃
料電池とからなるりん酸型燃料電池発電設備において、
上記燃料電池上流側に上記燃料ガスの温度を下げると共
に電池空気の予熱を行なう電池空気予熱器と、上記燃料
ガスの温度を下げるための冷却熱交換器と、上記燃料ガ
ス中に含まれるアンモニアを除去するためのアンモニア
吸収塔とを備えたことを特徴とするりん酸型燃料電池発
電設備。
【請求項２】冷却熱交換器に用いる冷却水流量を調節
するための冷却水流量調節弁を設けたことを特徴とする
請求項１記載のりん酸型燃料電池発電設備。
【請求項３】電池空気予熱器の上流側と冷却熱交換器
の下流側との間に燃料ガスバイパスラインをつないだこ
とを特徴とする請求項１又は請求項２記載のりん酸型燃
料電池発電設備。