JP2002025591A

JP2002025591A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2002025591A
Application number: JP2000213236A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ueda; 哲也上田; Yoshiaki Yamamoto; 義明山本; Shinji Miyauchi; 伸二宮内; Akinari Nakamura; 彰成中村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2002-01-25

Abstract

(57)【要約】【課題】改質器で発生させた水素リッチガスを燃料と
する燃料電池の予熱と、変成器および一酸化炭素除去器
の予熱とを、発電運転の立上がり時間が最も短くなるよ
うにした燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】水素リッチガスを発生させる改質器を加
熱する燃焼器の排気部に、切替手段を設け、この切替手
段を制御装置により制御して、運転起動時には、排気ガ
スを温水循環経路中の排気熱交換器へ通じる第１の経路
と変成器周囲部および一酸化炭素除去器周囲部へ通じる
第２の経路に導き、第１の経路では冷却水循環経路を介
して燃料電池を予熱し、第２の経路では変成器および一
酸化炭素除去器を予熱し、かつシステムの予熱が最も早
く完了するように前記第１の経路と第２の経路への排気
ガスの分配・切替えを行うように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、家庭用定置型発電
器として発電を行うとともに、同時に発生する熱を給湯
や暖房などに利用するいわゆるコージェネレーションシ
ステムとして用いられる燃料電池発電システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池発電システムは、図４の
ような構成を有する（例えば、特開平８−２５５６２４
号公報）。すなわち、原料ガスから水素リッチガスを発
生させる改質器１と、改質器１を加熱する燃焼器２と、
燃焼器２の排気ガスの熱を燃焼空気供給系１９へ熱交換
させる燃焼空気予熱器２０と、改質器１の下流に接続さ
れ水素リッチガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を除去させる
変成器４および一酸化炭素除去器５と、変成器４および
一酸化炭素除去器５の下流に接続され空気中の酸素と発
生した水素とを反応させて発電する燃料電池６と、燃料
電池６を冷却する冷却水循環経路８と、燃焼空気供給系
１９の熱を冷却水循環経路８へ熱交換させる冷却水予熱
器２１を備えていた。一般に燃料電池は、所定の温度に
達しないと発電ができないため予熱が必要である。この
従来の燃料電池発電システムにおいては、運転起動時に
燃焼器２からの排気ガスの熱を燃焼空気予熱器２０を介
して燃焼空気供給系１９に伝え、さらにその熱を冷却水
予熱器２１を介して冷却水循環経路８に伝え燃料電池６
を予熱するように構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の燃料電池発
電システムでは、燃料電池６は排気ガスの熱によって早
く予熱される。しかし、システム全体が発電運転を行う
ためには、変成器４および一酸化炭素除去器５の予熱も
必要であり、そのために発電運転が立上がるのに時間が
かかるという問題があった。特に、固体高分子電解質型
燃料電池を用いる場合は、燃料電池６は７０〜８０℃程
度に予熱すれば良いが、変成器４および一酸化炭素除去
器５は１５０〜２５０℃まで予熱しないと一酸化炭素を
除去する機能が発揮できないため、この部分の予熱に時
間がかかるという問題があった。本発明は、上記に鑑
み、発電運転までの立上がり時間を短くする燃料電池発
電システムを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池発電シ
ステムは、原料ガスから水素リッチガスを発生させる改
質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器の
排気ガスを外部へ排出させる排気部と、前記改質器の下
流に接続され水素リッチガス中の一酸化炭素を除去させ
る変成器および一酸化炭素除去器と、前記変成器および
前記一酸化炭素除去器の下流に接続され空気中の酸素と
発生した水素とを反応させて発電する燃料電池と、前記
燃料電池を冷却する冷却水循環経路と、前記冷却水循環
経路中の水熱交換器から熱を受け貯湯タンクに温水を貯
える温水循環経路と、運転制御を行う制御装置とを備え
ている。そして、前記制御装置は、前記排気部に設けら
れた切替手段を制御することにより、運転起動時には、
排気ガスを前記温水循環経路中の排気熱交換器へ通じる
第１の経路と変成器周囲部および一酸化炭素除去器周囲
部へ通じる第２の経路に導き、前記第１の経路では前記
冷却水循環経路を介して前記燃料電池を予熱し、前記第
２の経路では前記変成器および前記一酸化炭素除去器を
予熱し、さらにシステムの予熱が最も早く完了するよう
に前記第１の経路と前記第２の経路への排気ガスの分配
・切替えを適宜行うように構成されている。

【０００５】本発明は、また前記改質器の下部に前記燃
焼器を設け、前記改質器の上部に前記排気部および前記
切替手段を設け、前記変成器および前記一酸化炭素除去
器を前記改質器の上方に配置し一体構成とした燃料電池
発電システムを提供する。さらに、本発明は、前記燃料
電池と前記変成器および前記一酸化炭素除去器が所定の
温度に達し予熱が完了した後は、前記燃焼器の排気ガス
は、主に前記温水循環経路のみを加熱するように構成さ
れた燃料電池発電システムを提供する。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面にもとづいて説明する。《実施の形態１》図１は、本実施の形態１における燃料
電池発電システムの構成を示す。改質器１は、内部に改
質反応を発生させるための改質触媒１ａが充填されてい
る。改質器１には加熱手段としての燃焼器２と燃焼器２
の排気ガスを外部へ排出させる排気部３が備えつけられ
ている。改質器１の下流には、内部に変成反応をさせる
ための変成触媒４ａが充填された変成器４、および内部
に一酸化炭素除去反応をさせるための一酸化炭素除去触
媒５ａが充填された一酸化炭素除去器５が順次接続され
ている。一酸化炭素除去器５の下流に接続された燃料電
池６は、水素極６ａ、酸素極６ｂ、および両電極間に挿
入した固体高分子電解質膜から構成され、水素極６ａの
入口にはバイパス弁６ｃが、酸素極６ｂの入口には送風
機７がそれぞれ接続されている。燃料電池６を冷却する
ための冷却水循環経路８は、冷却水循環ポンプ９と水熱
交換器１０とを備えている。水熱交換器１０に接続され
た温水循環経路１１は、温水循環ポンプ１２と排気熱交
換器１３を備え、貯湯タンク１４に連接されている。

【０００７】排気部３には切替手段１５が設けられ、こ
の切替手段１５により、燃焼器２の排気ガスを、温水循
環経路１１中の排気熱交換器１３へ導く第１の経路１６
と、変成器周囲部４ｂおよび一酸化炭素除去器周囲部５
ｂへ導く第２の経路１７とに、適宜分配・切替えを行う
ことができる。制御装置１８は、これらシステムの運転
制御を行う。すなわち、燃料電池６の温度と、変成器４
および一酸化炭素除去器５の触媒温度とに関する情報
は、制御装置１８に入力され、それらの情報に基づい
て、燃焼器２、送風機７、冷却水循環ポンプ９、温水循
環ポンプ１２などの運転制御やバイパス弁６ｃおよび切
替手段１５の切り替えを行う。

【０００８】つぎに、本実施の形態１における発電運転
中の動作を説明する。炭化水素などの原料ガスは、改質
器１内部の改質触媒１ａを通過する際、燃焼器２で加熱
され、改質反応によって水素リッチガスに転換される。
この水素リッチガスは、一般的には一酸化炭素を含んで
おり、そのまま燃料電池６に供給すると水素極６ａの触
媒が被毒され発電能力が低下する。特に、固体高分子電
解質型燃料電池の場合は、反応温度が低いため、この傾
向が顕著に現れる。そこで、この水素リッチガスを変成
器４および一酸化炭素除去器５に送り、それぞれ内部に
充填された変成触媒４ａおよび一酸化炭素除去触媒５ａ
で水素リッチガス中の一酸化炭素を除去させた後に、燃
料電池６の水素極６ａに供給する。一方、燃料電池６の
酸素極６ｂには送風機７から空気が供給される。燃料電
池６内では、水素極６ａに供給された水素と酸素極６ｂ
に供給された空気中の酸素とを反応させ発電を行うが、
この時同時に熱も発生する。燃料電池６内で発生した熱
は、冷却水循環ポンプ９の運転によって、冷却水循環経
路８中の水熱交換器１０を介して温水循環経路１１に伝
えられ、さらに温水循環ポンプ１２の運転によって、温
水循環経路１１に連接された貯湯タンク１４に温水とし
て貯えられる。この温水は、給湯や暖房に利用すること
ができる。原料ガスの代わりに液体燃料の炭化水素を用
いても良い。

【０００９】つぎに、発電運転を起動させる時の動作に
ついて説明する。燃料電池発電システムの発電運転を行
うには、燃料電池６が所定の反応可能温度に達し、かつ
変成器４および一酸化炭素除去器５が一酸化炭素除去機
能を発揮するための触媒反応温度に達することが必要で
あり、そのためそれぞれの予熱が必要となる。本実施の
形態１における発電運転起動時には、排気部３に設けら
れた切替手段１５により、燃焼器２の排気ガスを第１の
経路１６と第２の経路１７に分配する。第１の経路１６
の排気ガスの熱は、排気熱交換器１３で温水循環経路１
１内の水と熱交換され、さらに水熱交換器１０で冷却水
循環経路８内の水と熱交換され、燃料電池６を予熱す
る。一方、第２の経路１７の排気ガスの熱は、変成器周
囲部４ｂおよび一酸化炭素除去器周囲部５ｂを介して、
それぞれを変成器４および一酸化炭素除去器５に伝えら
れ、これらを予熱する。変成器４および一酸化炭素除去
器５は、上流の改質器１から送られる高温の水素リッチ
ガスによっても加熱されるが、前述の第２の経路１７の
排気ガスの熱を利用することによって、より早く予熱が
できる。

【００１０】変成器４および一酸化炭素除去器５は、予
熱中は、一酸化炭素を除去する機能を十分発揮できず、
水素リッチガスに一酸化炭素が含まれたままとなる。そ
のようなガスをそのまま燃料電池６に供給すると、水素
極６ａの触媒が被毒され、発電能力が低下する。そこ
で、変成器４および一酸化炭素除去器５の予熱が完了す
るまでは、バイパス弁６ｃを切替えて水素リッチガスを
外部に放出させ、燃料電池６には供給しないようにす
る。第１の経路１６と第２の経路１７の排気ガスの分配
・切替えは、システムの状況に応じて、予熱時間が最も
短くなるように、制御装置１８によって制御される。例
えば、固体高分子電解質型燃料電池の場合は、燃料電池
６は７０〜８０℃程度に予熱すれば良いが、変成器４お
よび一酸化炭素除去器５は１５０〜２５０℃まで予熱し
ないと一酸化炭素を除去する機能が発揮できない。そこ
で、第１の経路１６の排気ガスの分配量に対し第２の経
路１７の排気ガスの分配量を多くすることによって、燃
料電池６と変成器４および一酸化炭素除去器５とがほぼ
同時に予熱を完了することができ、システムの立上げ時
間を最短にすることができる。

【００１１】《実施の形態２》図２は、本実施の形態２
における燃料電池発電システムの構成を示す。実施の形
態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、
その説明を省略する。本実施の形態２においては、改質
器１の下部に燃焼器２を設け、改質器１の上部に排気部
３および切替手段１５を設け、さらに、変成器４および
一酸化炭素除去器５を改質器１の上方に配置し、一体構
成としたものである。この構成により、切替手段１５か
ら変成器周囲部４ｂおよび一酸化炭素除去器周囲部５ｂ
へ至る第２の経路１７が短くなるため、放熱ロスが少な
くなり、変成器４および一酸化炭素除去器５を予熱する
時間が少なくて済む。また、変成器４および一酸化炭素
除去器５が改質器１と一体構成となっているため、変成
器４および一酸化炭素除去器５が上流の改質器１から送
られる高温の水素リッチガスによって加熱される時も、
放熱ロスが少なくなり、変成器４および一酸化炭素除去
器５を予熱する時間がさらに少なくて済む。

【００１２】《実施の形態３》図３は、本実施の形態３
における燃料電池発電システムの構成を示す。実施の形
態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、
その説明を省略する。予熱中の温水循環経路１１の水の
流れは、実施の形態１と同様に、排気熱交換器１３−温
水循環ポンプ１２−水熱交換器１０−貯湯タンク１４の
順である。しかし、本実施の形態３においては、予熱が
完了し発電運転に移行した後は、切替手段１５により、
排気ガスの流れを全て第１の経路１６に切替えるととも
に、温水循環ポンプ１２の流れを逆転させ、温水循環経
路１１の水の流れを水熱交換器１０−温水循環ポンプ１
２−排気熱交換器１３−貯湯タンク１４の順となるよう
に制御する。この動作により、システムの予熱が完了し
た後も、排気ガスの熱で温水循環経路１１を加熱して貯
湯タンク１４に温水として貯えることができる。したが
って、排熱を有効利用し、熱効率を高めることができ
る。

【００１３】

【発明の効果】異常のように本発明によれば、排気ガス
の熱を適宜分配して燃料電池と変成器および一酸化炭素
除去器を予熱することにより、発電運転までの立上がり
時間を短縮することができる。また、変成器および一酸
化炭素除去器を改質器の上方に配置し一体構成とするこ
とにより、放熱ロスを少なくし、よりいっそう発電運転
までの立上がり時間を短縮することができる。また、発
電運転移行後も排気ガスの熱を有効利用することによっ
て、熱効率を高めるという効果も奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池発電シ
ステムの構成を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池発電シ
ステムの構成を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態３における燃料電池発電シ
ステムの構成を示す図である。

【図４】従来の燃料電池発電システムの構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１改質器２燃焼器３排気部４変成器４ｂ変成器周囲部５一酸化炭素除去器５ｂ一酸化炭素除去器周囲部６燃料電池８冷却水循環経路１０水熱交換器１１温水循環経路１３排気熱交換器１４貯湯タンク１５切替手段１６第１の経路１７第２の経路１８制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮内伸二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者中村彰成大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB12 EB31 EB32 EB43 EB44 5H027 AA06 BA01 BA16 BA17 CC06 DD06 MM01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料ガスから水素リッチガスを発生させ
る改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼
器の排気ガスを外部へ排出させる排気部と、前記改質器
の下流に接続され水素リッチガス中の一酸化炭素を除去
させる変成器および一酸化炭素除去器と、前記変成器お
よび前記一酸化炭素除去器の下流に接続され空気中の酸
素と発生した水素とを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷却水循環経路と、前記冷却水
循環経路中の水熱交換器から熱を受け貯湯タンクに温水
を貯える温水循環経路と、運転制御を行う制御装置とを
備え、前記制御装置は、前記排気部に設けられた切替手
段を制御することにより、運転起動時には、排気ガスを
前記温水循環経路中の排気熱交換器へ通じる第１の経路
と変成器周囲部および一酸化炭素除去器周囲部へ通じる
第２の経路に導き、前記第１の経路では前記冷却水循環
経路を介して前記燃料電池を予熱し、前記第２の経路で
は前記変成器および前記一酸化炭素除去器を予熱し、か
つシステムの予熱が最も早く完了するように前記第１の
経路と前記第２の経路への排気ガスの分配・切替えを行
うように構成された燃料電池発電システム。
【請求項２】前記改質器の下部に前記燃焼器を設け、
前記改質器の上部に前記排気部および前記切替手段を設
け、前記変成器および前記一酸化炭素除去器を前記改質
器の上方に配置し一体構成とした請求項１記載の燃料電
池発電システム。
【請求項３】前記燃料電池と前記変成器および前記一
酸化炭素除去器が所定の温度に達し予熱が完了した後
は、前記燃焼器の排気ガスは前記温水循環経路のみを加
熱するように構成された請求項１または２記載の燃料電
池発電システム。