JP2002025598A - 燃料電池システムとその運転方法 - Google Patents
燃料電池システムとその運転方法Info
- Publication number
- JP2002025598A JP2002025598A JP2000211885A JP2000211885A JP2002025598A JP 2002025598 A JP2002025598 A JP 2002025598A JP 2000211885 A JP2000211885 A JP 2000211885A JP 2000211885 A JP2000211885 A JP 2000211885A JP 2002025598 A JP2002025598 A JP 2002025598A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- water
- fuel
- pipe
- fuel cell
- water tank
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 単純な装置構成と制御システムで、均一な触
媒層内の温度分布を実現し、十分なＣＯ除去を行なう炭
素系燃料を原料とする燃料電池システムとその運転方法
を提供すること。 【解決手段】 本システムは、炭素系燃料等の燃料から
水素含有ガスを生成する改質器２と改質ガス中のＣＯを
選択的に燃焼させることでＣＯ含有量を低減するＣＯ選
択酸化器４を備え、ＣＯ選択酸化器４は一定温度に保た
れた水槽２７と水槽２７内に設けられた改質器２で生成
した改質ガスを流す配管３４と配管３４の一以上の空気
投入口２２と配管３４出口に設けたＣＯ濃度計３０と該
濃度計３０からの信号に基づいて空気投入口２２より投
入する空気量を制御器２６で調節して、ＣＯ量を低減調
節し、また制御器２６で燃料電池５での燃料排ガスを燃
焼装置２１で燃焼させて熱交換器８で加熱された加圧水
の水槽２７内への流量を調整して水槽内の温度を一定範
囲内に制御してＣＯ酸化触媒２０の活性を維持させる。
媒層内の温度分布を実現し、十分なＣＯ除去を行なう炭
素系燃料を原料とする燃料電池システムとその運転方法
を提供すること。 【解決手段】 本システムは、炭素系燃料等の燃料から
水素含有ガスを生成する改質器２と改質ガス中のＣＯを
選択的に燃焼させることでＣＯ含有量を低減するＣＯ選
択酸化器４を備え、ＣＯ選択酸化器４は一定温度に保た
れた水槽２７と水槽２７内に設けられた改質器２で生成
した改質ガスを流す配管３４と配管３４の一以上の空気
投入口２２と配管３４出口に設けたＣＯ濃度計３０と該
濃度計３０からの信号に基づいて空気投入口２２より投
入する空気量を制御器２６で調節して、ＣＯ量を低減調
節し、また制御器２６で燃料電池５での燃料排ガスを燃
焼装置２１で燃焼させて熱交換器８で加熱された加圧水
の水槽２７内への流量を調整して水槽内の温度を一定範
囲内に制御してＣＯ酸化触媒２０の活性を維持させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は炭素系燃料から水素
含有ガスを製造し、この水素含有ガスを燃料として発電
する燃料電池システムに関し、特に固体高分子型燃料電
池（ＰＥＦＣ）を用いた燃料電池システムとその運転方
法に関する。
含有ガスを製造し、この水素含有ガスを燃料として発電
する燃料電池システムに関し、特に固体高分子型燃料電
池（ＰＥＦＣ）を用いた燃料電池システムとその運転方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術の炭素系燃料から水素含有ガス
を製造し、この水素含有ガスを燃料として発電する燃料
電池システムの構成を図６に示す。燃料として、都市ガ
ス、ＬＰＧ、メタノール、ガソリン又は軽油などの炭素
系燃料が使用されるが、ここでは、都市ガスの主要成分
であるメタンを例にして説明する。
を製造し、この水素含有ガスを燃料として発電する燃料
電池システムの構成を図６に示す。燃料として、都市ガ
ス、ＬＰＧ、メタノール、ガソリン又は軽油などの炭素
系燃料が使用されるが、ここでは、都市ガスの主要成分
であるメタンを例にして説明する。
【０００３】まず、改質器２に燃料であるメタンと水蒸
気配管１９中の空気を投入する。改質器２の中では、次
の反応により水素含有ガスが発生する。 ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ←→ ＣＯ＋Ｈ２ （１） ＣＯ＋Ｈ２Ｏ ←→ Ｈ２＋ＣＯ２ （２）
気配管１９中の空気を投入する。改質器２の中では、次
の反応により水素含有ガスが発生する。 ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ←→ ＣＯ＋Ｈ２ （１） ＣＯ＋Ｈ２Ｏ ←→ Ｈ２＋ＣＯ２ （２）
【０００４】上記の反応は平衡反応であり、生成する水
素含有ガス中には、水素の他に、Ｈ ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２
が含まれている。また、上記（１）式は吸熱反応であ
り、この反応を継続するためには外部から熱を供給する
必要がある。この熱供給方法として、外部加熱方式と内
部加熱方式がある。外部加熱方式は、上記（１）式、
（２）式の反応を進める反応管の外部より、ヒータある
いはバーナなどの外部加熱手段を用いて、熱を加える方
式である。
素含有ガス中には、水素の他に、Ｈ ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２
が含まれている。また、上記（１）式は吸熱反応であ
り、この反応を継続するためには外部から熱を供給する
必要がある。この熱供給方法として、外部加熱方式と内
部加熱方式がある。外部加熱方式は、上記（１）式、
（２）式の反応を進める反応管の外部より、ヒータある
いはバーナなどの外部加熱手段を用いて、熱を加える方
式である。
【０００５】一方、内部加熱方式は反応管内に空気を投
入し、燃料であるメタンとの燃焼反応により発生する熱
を利用する方法である。この方法の場合は、水素含有ガ
スの組成には多量の窒素が含まれることとなる。
入し、燃料であるメタンとの燃焼反応により発生する熱
を利用する方法である。この方法の場合は、水素含有ガ
スの組成には多量の窒素が含まれることとなる。
【０００６】いずれの方法においても、改質器２から発
生する水素含有ガスには数％程度のＣＯが含まれる。Ｃ
Ｏは固体高分子型燃料電池５の燃料極表面に使用される
白金表面に吸着して発電量を低下させるため、燃料電池
５に供給する水素含有ガスのＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下
にする必要がある。そのために、従来構造の発電システ
ムにおいては、改質器２と固体高分子型燃料電池５の間
にＣＯ選択酸化器４が設置されている。ＣＯ選択酸化器
４にはＣＯだけを選択的に燃焼させるプラチナ（Ｐｔ）
などの触媒２０が充填されており、ＣＯ燃焼用空気３を
投入することで、ＣＯをＣＯ２に変化させて、ＣＯ濃度
を１０ｐｐｍ程度まで低減している。
生する水素含有ガスには数％程度のＣＯが含まれる。Ｃ
Ｏは固体高分子型燃料電池５の燃料極表面に使用される
白金表面に吸着して発電量を低下させるため、燃料電池
５に供給する水素含有ガスのＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下
にする必要がある。そのために、従来構造の発電システ
ムにおいては、改質器２と固体高分子型燃料電池５の間
にＣＯ選択酸化器４が設置されている。ＣＯ選択酸化器
４にはＣＯだけを選択的に燃焼させるプラチナ（Ｐｔ）
などの触媒２０が充填されており、ＣＯ燃焼用空気３を
投入することで、ＣＯをＣＯ２に変化させて、ＣＯ濃度
を１０ｐｐｍ程度まで低減している。
【０００７】燃料電池５の燃料極に投入された水素含有
ガスは、その中に含まれる水素のほとんど（約９０％程
度）が燃料電池５内で反応して電気及び熱エネルギーに
変換される。そして燃料極出口からは残りの１０％の水
素を含んだ排ガスが排出される。
ガスは、その中に含まれる水素のほとんど（約９０％程
度）が燃料電池５内で反応して電気及び熱エネルギーに
変換される。そして燃料極出口からは残りの１０％の水
素を含んだ排ガスが排出される。
【０００８】前記未使用水素を有効利用するために、水
素燃焼装置２１が設けられているが水素燃焼装置２１に
投入した未使用水素を含む排ガスは、燃焼装置２１で燃
焼し、熱交換器８で熱回収された後、系外に放出され
る。燃焼装置２１内の熱交換器８で熱回収した熱は改質
器２に投入する蒸気、空気及び燃料の予熱用熱源として
利用されている。
素燃焼装置２１が設けられているが水素燃焼装置２１に
投入した未使用水素を含む排ガスは、燃焼装置２１で燃
焼し、熱交換器８で熱回収された後、系外に放出され
る。燃焼装置２１内の熱交換器８で熱回収した熱は改質
器２に投入する蒸気、空気及び燃料の予熱用熱源として
利用されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記図６に示す従来技
術では、ＣＯ選択酸化器４内で用いられるＣＯ選択酸化
触媒２０の動作範囲が１５０〜１７０℃と非常に狭く、
それ以上でもそれ以下でもＣＯが発生してしまうため
に、ＣＯ選択酸化器４の反応器内部の温度を厳密に制御
する必要があった。図４に、ＣＯ選択酸化触媒温度とＣ
Ｏ濃度との関係を示すが、温度に対して非常に鋭敏な反
応であることが分かる。
術では、ＣＯ選択酸化器４内で用いられるＣＯ選択酸化
触媒２０の動作範囲が１５０〜１７０℃と非常に狭く、
それ以上でもそれ以下でもＣＯが発生してしまうため
に、ＣＯ選択酸化器４の反応器内部の温度を厳密に制御
する必要があった。図４に、ＣＯ選択酸化触媒温度とＣ
Ｏ濃度との関係を示すが、温度に対して非常に鋭敏な反
応であることが分かる。
【００１０】従来技術ではＣＯ選択酸化器４でＣＯと空
気中の酸素を反応させて、ＣＯ２にすることでＣＯを除
去しているために、ＣＯと酸素との反応時に熱が発生
し、反応ガス温度が上がってしまう。そのため、図６に
示す従来構造においては、ＣＯ選択酸化触媒２０を複数
段に分割して配置し、かつ、各触媒設置段の入口に空気
投入口２２を設け、さらに、各触媒設置段の後流に発生
した熱を除去する熱交換器２３を設けている。そして、
熱交換器２３の出口のガス温度を温度計２４で計測し、
かつＣＯ選択酸化器４の出口のＣＯ濃度をＣＯ濃度計２
５で計測し、ガス温度とＣＯ濃度が設定値となるよう
に、熱交換器２３で用いる冷媒循環量、温度、投入する
空気量の制御を制御器２６で行っていた。そのために、
全体の装置構成が複雑となり、また、制御も複雑かつ不
安定であった。
気中の酸素を反応させて、ＣＯ２にすることでＣＯを除
去しているために、ＣＯと酸素との反応時に熱が発生
し、反応ガス温度が上がってしまう。そのため、図６に
示す従来構造においては、ＣＯ選択酸化触媒２０を複数
段に分割して配置し、かつ、各触媒設置段の入口に空気
投入口２２を設け、さらに、各触媒設置段の後流に発生
した熱を除去する熱交換器２３を設けている。そして、
熱交換器２３の出口のガス温度を温度計２４で計測し、
かつＣＯ選択酸化器４の出口のＣＯ濃度をＣＯ濃度計２
５で計測し、ガス温度とＣＯ濃度が設定値となるよう
に、熱交換器２３で用いる冷媒循環量、温度、投入する
空気量の制御を制御器２６で行っていた。そのために、
全体の装置構成が複雑となり、また、制御も複雑かつ不
安定であった。
【００１１】さらに、個々のＣＯ選択酸化触媒２０の設
置段中で温度上昇があり、そのために触媒２０の性能が
低下するという問題もあった。例として、ＣＯ選択酸化
触媒２０内の温度分布を図７に示すが、各触媒設置段部
の後流側の段に行くに従い、酸化反応が進むために、ガ
ス温度が高くなっていることが分かる。図４に示したよ
うにガス温度が１５０〜１７０℃の範囲を超えると、Ｃ
Ｏ濃度が高くなってしまう。図７の場合、ＣＯ選択酸化
触媒２０の各触媒設置段の後流側でガス温度が１７０℃
以上となっており、ＣＯ濃度が高くなっていることが分
かる。
置段中で温度上昇があり、そのために触媒２０の性能が
低下するという問題もあった。例として、ＣＯ選択酸化
触媒２０内の温度分布を図７に示すが、各触媒設置段部
の後流側の段に行くに従い、酸化反応が進むために、ガ
ス温度が高くなっていることが分かる。図４に示したよ
うにガス温度が１５０〜１７０℃の範囲を超えると、Ｃ
Ｏ濃度が高くなってしまう。図７の場合、ＣＯ選択酸化
触媒２０の各触媒設置段の後流側でガス温度が１７０℃
以上となっており、ＣＯ濃度が高くなっていることが分
かる。
【００１２】本発明の課題は、単純な装置構成と制御シ
ステムで、均一な触媒層内の温度分布を実現し、十分な
ＣＯ除去を行なう炭素系燃料を原料とする燃料電池シス
テムとその運転方法を提供することにある。
ステムで、均一な触媒層内の温度分布を実現し、十分な
ＣＯ除去を行なう炭素系燃料を原料とする燃料電池シス
テムとその運転方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記本発明の課題は、炭
素系燃料の燃料供給配管を接続し、該燃料供給配管から
供給される炭素系燃料から水素含有ガスを生成する改質
器と該改質器で生成した改質ガス中の一酸化炭素を選択
的に燃焼させることで一酸化炭素含有量を低減する一酸
化炭素除去器と該一酸化炭素除去器で得られた一酸化炭
素含有量が低減した水素含有ガスを燃料として発電する
燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、前記一
酸化炭素除去器は、一定温度に保たれた水槽と、該水槽
内に設けられた改質器で生成した改質ガスを流す配管
と、該配管の一以上の箇所に設けられた空気投入口と、
前記配管の出口に設けた一酸化炭素濃度検知器と、一酸
化炭素濃度検知器からの信号に基づいて前記空気投入口
より投入する空気量を調整する制御器とを備えた燃料電
池システムで解決される。
素系燃料の燃料供給配管を接続し、該燃料供給配管から
供給される炭素系燃料から水素含有ガスを生成する改質
器と該改質器で生成した改質ガス中の一酸化炭素を選択
的に燃焼させることで一酸化炭素含有量を低減する一酸
化炭素除去器と該一酸化炭素除去器で得られた一酸化炭
素含有量が低減した水素含有ガスを燃料として発電する
燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、前記一
酸化炭素除去器は、一定温度に保たれた水槽と、該水槽
内に設けられた改質器で生成した改質ガスを流す配管
と、該配管の一以上の箇所に設けられた空気投入口と、
前記配管の出口に設けた一酸化炭素濃度検知器と、一酸
化炭素濃度検知器からの信号に基づいて前記空気投入口
より投入する空気量を調整する制御器とを備えた燃料電
池システムで解決される。
【００１４】本発明の燃料電池システムにおいて、改質
器内部に熱交換器を設け、該熱交換器には水槽からの加
熱水を供給する給水配管と、熱交換器で前記加熱水から
得られた蒸気を改質器に導入する蒸気配管を接続し、該
蒸気配管は、炭素系燃料を燃料供給配管から改質器へ吸
引するためのエジェクタを介して燃料供給配管に接続す
る構成にして炭素系燃料を蒸気で改質器に供給すると改
質器に改質原料を供給するエネルギーコストが節約でき
る。
器内部に熱交換器を設け、該熱交換器には水槽からの加
熱水を供給する給水配管と、熱交換器で前記加熱水から
得られた蒸気を改質器に導入する蒸気配管を接続し、該
蒸気配管は、炭素系燃料を燃料供給配管から改質器へ吸
引するためのエジェクタを介して燃料供給配管に接続す
る構成にして炭素系燃料を蒸気で改質器に供給すると改
質器に改質原料を供給するエネルギーコストが節約でき
る。
【００１５】また、本発明の燃料電池システムにおい
て、燃料電池を冷却するための冷却水配管と燃料電池で
得られた燃料排ガスを燃料源とする燃焼装置と該燃焼装
置内へ熱交換器と水槽への加熱水供給配管を設け、前記
冷却水配管を前記燃焼装置の熱交換器を経由して水槽へ
の加熱水配管に接続することができる。改質器の熱交換
器に接続する給水配管の水槽出口に水温度計を設け、該
水温計の水温検出値に基づき、前記制御器により給水量
が調節される給水量調節手段（加圧ポンプ等）を燃焼装
置の熱交換器から水槽へ供給する加熱水配管に設けるこ
とで、水槽内の温度を一定範囲内（１５０〜２００℃の
範囲のいずれかの温度が好ましい）に保持することがで
きる。
て、燃料電池を冷却するための冷却水配管と燃料電池で
得られた燃料排ガスを燃料源とする燃焼装置と該燃焼装
置内へ熱交換器と水槽への加熱水供給配管を設け、前記
冷却水配管を前記燃焼装置の熱交換器を経由して水槽へ
の加熱水配管に接続することができる。改質器の熱交換
器に接続する給水配管の水槽出口に水温度計を設け、該
水温計の水温検出値に基づき、前記制御器により給水量
が調節される給水量調節手段（加圧ポンプ等）を燃焼装
置の熱交換器から水槽へ供給する加熱水配管に設けるこ
とで、水槽内の温度を一定範囲内（１５０〜２００℃の
範囲のいずれかの温度が好ましい）に保持することがで
きる。
【００１６】
【作用】本発明の作用を図１に示す例で説明すると、改
質器２で得られた改質ガスは改質ガス配管３７からＣＯ
選択酸化器４を構成する水槽２７に入り、水槽２７中の
改質ガス配管３７に設けられた空気投入口２２から投入
された空気は改質ガスと混合した後、改質ガス配管３７
の一部であるコイル状配管３４中のＣＯ選択酸化触媒３
３により一酸化炭素が選択的に酸化される。このとき、
酸化反応の発熱により多量の熱が発生するが、その熱は
改質ガス配管３７の周囲の水に吸収される。水は熱伝達
率が高いので、改質ガス及び触媒３３の温度を上昇させ
ることなく、早急な除熱が可能である。
質器２で得られた改質ガスは改質ガス配管３７からＣＯ
選択酸化器４を構成する水槽２７に入り、水槽２７中の
改質ガス配管３７に設けられた空気投入口２２から投入
された空気は改質ガスと混合した後、改質ガス配管３７
の一部であるコイル状配管３４中のＣＯ選択酸化触媒３
３により一酸化炭素が選択的に酸化される。このとき、
酸化反応の発熱により多量の熱が発生するが、その熱は
改質ガス配管３７の周囲の水に吸収される。水は熱伝達
率が高いので、改質ガス及び触媒３３の温度を上昇させ
ることなく、早急な除熱が可能である。
【００１７】また、多量の水を水槽２７内に流している
ため、ＣＯ濃度が変化することで、ＣＯ選択酸化器（水
槽２７）内部での発熱量が変化しても、水槽２７内の温
度は変化することなく、改質ガス配管３７内のガス温
度、すなわち、ＣＯ選択酸化触媒３３の温度は常に一定
の温度に保たれる。
ため、ＣＯ濃度が変化することで、ＣＯ選択酸化器（水
槽２７）内部での発熱量が変化しても、水槽２７内の温
度は変化することなく、改質ガス配管３７内のガス温
度、すなわち、ＣＯ選択酸化触媒３３の温度は常に一定
の温度に保たれる。
【００１８】改質ガス配管内で発生した熱を吸収した水
は、改質器後流部に接した熱交換器３２で、改質ガスの
持つ顕熱により約４００℃に昇温された後、蒸気として
改質器に投入することで、有効に利用できる。このよう
に、水槽２７内部は常に熱容量の大きな一定温度の水で
満たされているので、改質ガス配管３７内のガス温度が
高温になることはない。そのために、水温の制御は簡単
であり、従来のような複雑な制御は必要ない。
は、改質器後流部に接した熱交換器３２で、改質ガスの
持つ顕熱により約４００℃に昇温された後、蒸気として
改質器に投入することで、有効に利用できる。このよう
に、水槽２７内部は常に熱容量の大きな一定温度の水で
満たされているので、改質ガス配管３７内のガス温度が
高温になることはない。そのために、水温の制御は簡単
であり、従来のような複雑な制御は必要ない。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面と共に
説明する。図１に示す本実施の形態の燃料電池システム
は、燃料である都市ガスを水素リッチなガスに改質する
改質器２と改質器２から発生する改質ガス中に含まれる
ＣＯを除去するためのＣＯ選択酸化器４と出力３ｋＷの
固体高分子型燃料電池５と燃料電池５から排出される残
水素を燃焼させる燃焼装置２１等から構成されている。
説明する。図１に示す本実施の形態の燃料電池システム
は、燃料である都市ガスを水素リッチなガスに改質する
改質器２と改質器２から発生する改質ガス中に含まれる
ＣＯを除去するためのＣＯ選択酸化器４と出力３ｋＷの
固体高分子型燃料電池５と燃料電池５から排出される残
水素を燃焼させる燃焼装置２１等から構成されている。
【００２０】本発明の実施の形態の特徴はＣＯ選択酸化
器４にあり、ＣＯ選択酸化器４は水槽２７と燃料電池の
冷却水を加圧するポンプ２８と、加圧した水を燃焼装置
２１の燃焼ガスで昇温する熱交換器８と、昇温した水を
水槽２７に投入する加熱水配管２９と、水槽２７からの
水を改質器２内に設けた熱交換器３２に導く配管３６
と、改質器２で得られた改質ガスが水槽２７内を通るよ
うに設けられた改質ガス配管３７と、その改質ガス配管
３７の途中に設けられた複数の空気投入口２２と、改質
ガス配管３７の水槽出口部に設けたＣＯセンサ３０と、
ＣＯセンサ３０からの信号に基づき、改質ガス配管３７
に投入する各空気投入量などを調整する制御器２６とか
ら構成されている。
器４にあり、ＣＯ選択酸化器４は水槽２７と燃料電池の
冷却水を加圧するポンプ２８と、加圧した水を燃焼装置
２１の燃焼ガスで昇温する熱交換器８と、昇温した水を
水槽２７に投入する加熱水配管２９と、水槽２７からの
水を改質器２内に設けた熱交換器３２に導く配管３６
と、改質器２で得られた改質ガスが水槽２７内を通るよ
うに設けられた改質ガス配管３７と、その改質ガス配管
３７の途中に設けられた複数の空気投入口２２と、改質
ガス配管３７の水槽出口部に設けたＣＯセンサ３０と、
ＣＯセンサ３０からの信号に基づき、改質ガス配管３７
に投入する各空気投入量などを調整する制御器２６とか
ら構成されている。
【００２１】また、改質器２には空気と燃料（メタン）
が投入されるが、燃料（メタン）は熱交換器３２から供
給される蒸気とエジェクタ３１で混合される。エジェク
タ３１では熱交換器３２からの加圧蒸気の噴射圧を利用
して、燃料を吸引する構成としている。
が投入されるが、燃料（メタン）は熱交換器３２から供
給される蒸気とエジェクタ３１で混合される。エジェク
タ３１では熱交換器３２からの加圧蒸気の噴射圧を利用
して、燃料を吸引する構成としている。
【００２２】各部の動作状況を以下に示す。まず、都市
ガスなどの燃料はファン３８によりエジェクタ３１に送
られる。また燃料電池冷却用の水は、燃料電池５内に設
けられた熱交換器４０で加熱され、更にポンプ２８で加
圧され、燃料電池排ガスの燃焼装置２１で更に加熱さ
れ、水配管２９を経由してＣＯ選択酸化器４の水槽２７
内に入る。水槽２７内の加熱水は水槽２７から配管３６
を通り、改質器２の後流部に設置されている熱交換器３
２で加熱され、約４００℃、５ｋｇｆ／ｃｍ２の蒸気と
なりエジェクタ３１に供給される。この蒸気の噴射エネ
ルギーによりエジェクタ３１で都市ガスなどの燃料が吸
引され、混合ガスとなって改質器２に投入される。同時
に空気用ブロアより燃焼用空気が改質器２内に投入され
る。
ガスなどの燃料はファン３８によりエジェクタ３１に送
られる。また燃料電池冷却用の水は、燃料電池５内に設
けられた熱交換器４０で加熱され、更にポンプ２８で加
圧され、燃料電池排ガスの燃焼装置２１で更に加熱さ
れ、水配管２９を経由してＣＯ選択酸化器４の水槽２７
内に入る。水槽２７内の加熱水は水槽２７から配管３６
を通り、改質器２の後流部に設置されている熱交換器３
２で加熱され、約４００℃、５ｋｇｆ／ｃｍ２の蒸気と
なりエジェクタ３１に供給される。この蒸気の噴射エネ
ルギーによりエジェクタ３１で都市ガスなどの燃料が吸
引され、混合ガスとなって改質器２に投入される。同時
に空気用ブロアより燃焼用空気が改質器２内に投入され
る。
【００２３】改質器２では、部分酸化反応と水蒸気改質
反応により、水素を多量に含んだガスが発生する。本実
施の形態では、改質器２に熱交換器３２とＣＯコンバー
タを含めて配置しているので、改質ガスの温度は２００
℃となっている。また、改質ガス組成の一例を図５に示
すが、水素濃度が３７％、ＣＯ濃度が１％となってい
る。
反応により、水素を多量に含んだガスが発生する。本実
施の形態では、改質器２に熱交換器３２とＣＯコンバー
タを含めて配置しているので、改質ガスの温度は２００
℃となっている。また、改質ガス組成の一例を図５に示
すが、水素濃度が３７％、ＣＯ濃度が１％となってい
る。
【００２４】次に、上記改質ガスは、改質ガス配管３７
によりＣＯ選択酸化器４に導かれる。ＣＯ選択酸化器４
の詳細は図１の円Ａ内の拡大図に示すような構造となっ
ている。すなわち、内径１０ｍｍの複数のコイル状配管
３４の内部には、粒状のＣＯ選択酸化触媒３３を充填し
ている。また、各コイル状配管３４の入口部に空気投入
口２２を設け、さらに、最後のコイル状配管３４の出口
部には、ＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以上になると特定の電気
信号を発信するＣＯセンサ３０を設置している。
によりＣＯ選択酸化器４に導かれる。ＣＯ選択酸化器４
の詳細は図１の円Ａ内の拡大図に示すような構造となっ
ている。すなわち、内径１０ｍｍの複数のコイル状配管
３４の内部には、粒状のＣＯ選択酸化触媒３３を充填し
ている。また、各コイル状配管３４の入口部に空気投入
口２２を設け、さらに、最後のコイル状配管３４の出口
部には、ＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以上になると特定の電気
信号を発信するＣＯセンサ３０を設置している。
【００２５】これらのコイル状配管３４は、図中に示す
水槽２７内に配置されており、水槽２７内には１５０℃
の水が満たされている。この水は、燃料電池５を冷却す
るために使用した約８０℃の水を、加圧ポンプ２８で５
ｋｇｆ／ｃｍ２に昇圧した後、燃焼装置２１内の熱交換
器８で１５０℃に昇温し、水槽２７に投入されたもので
ある。そして、この水は改質ガス中のＣＯがＣＯ２にな
る際に発生する熱を吸収した後、改質器２の熱交換器３
２に送られ、約４００℃の蒸気とした後、エジェクタ３
１に投入される。
水槽２７内に配置されており、水槽２７内には１５０℃
の水が満たされている。この水は、燃料電池５を冷却す
るために使用した約８０℃の水を、加圧ポンプ２８で５
ｋｇｆ／ｃｍ２に昇圧した後、燃焼装置２１内の熱交換
器８で１５０℃に昇温し、水槽２７に投入されたもので
ある。そして、この水は改質ガス中のＣＯがＣＯ２にな
る際に発生する熱を吸収した後、改質器２の熱交換器３
２に送られ、約４００℃の蒸気とした後、エジェクタ３
１に投入される。
【００２６】蒸気をエジェクタ３１から改質器２へ供給
する燃料供給配管の導入することで燃料供給ポンプ３８
の動力が従来技術に比して大きく低減でき、場合によっ
ては燃料供給ポンプ３８の設置をする必要がない。ま
た、エジェクタ３１を設置しないで、改質器２の熱交換
器３２で得られた蒸気を改質器の改質反応部に燃料とは
別個に供給しても良い。
する燃料供給配管の導入することで燃料供給ポンプ３８
の動力が従来技術に比して大きく低減でき、場合によっ
ては燃料供給ポンプ３８の設置をする必要がない。ま
た、エジェクタ３１を設置しないで、改質器２の熱交換
器３２で得られた蒸気を改質器の改質反応部に燃料とは
別個に供給しても良い。
【００２７】改質器２で発生した改質ガスはＣＯ選択酸
化器４では、コイル状配管３４に投入され、同時に微量
の空気が空気投入口２２より投入される。ここで、本実
施の形態の場合、改質器２で発生したＣＯ濃度は１％で
あるので、このＣＯを燃焼するのに必要な空気量の１／
３を、まず、１段目の空気投入口２２より投入する。投
入された空気と改質ガス中のＣＯはＣＯ選択酸化器４内
のコイル状配管３４内のＣＯ選択酸化触媒３３により選
択的に酸化されてＣＯ２となる。このとき、大量の熱を
発生するが、この熱は、コイル状配管３４の外側に満た
された水に吸収されるので、触媒層のガス温度は、水槽
２７とほぼ同じ温度となる。
化器４では、コイル状配管３４に投入され、同時に微量
の空気が空気投入口２２より投入される。ここで、本実
施の形態の場合、改質器２で発生したＣＯ濃度は１％で
あるので、このＣＯを燃焼するのに必要な空気量の１／
３を、まず、１段目の空気投入口２２より投入する。投
入された空気と改質ガス中のＣＯはＣＯ選択酸化器４内
のコイル状配管３４内のＣＯ選択酸化触媒３３により選
択的に酸化されてＣＯ２となる。このとき、大量の熱を
発生するが、この熱は、コイル状配管３４の外側に満た
された水に吸収されるので、触媒層のガス温度は、水槽
２７とほぼ同じ温度となる。
【００２８】例として、本実施の形態では、ＣＯ選択酸
化触媒３３内のガス温度分布を図２に示すが、１５０℃
にほぼ均一に保たれており、ＣＯ濃度も低く抑えること
ができていることが分かる。
化触媒３３内のガス温度分布を図２に示すが、１５０℃
にほぼ均一に保たれており、ＣＯ濃度も低く抑えること
ができていることが分かる。
【００２９】次に、制御方法について述べる。水槽２７
の温度調整は水槽２７の水出口部に設置した温度計３５
の指示値が、所定温度となるように加圧ポンプ２８の水
供給量を調整する。また、ＣＯ濃度は水槽２７の出口に
設置したＣＯセンサ３０から、信号が出なくなるまで
（ＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下になるまで）空気を投入す
る。
の温度調整は水槽２７の水出口部に設置した温度計３５
の指示値が、所定温度となるように加圧ポンプ２８の水
供給量を調整する。また、ＣＯ濃度は水槽２７の出口に
設置したＣＯセンサ３０から、信号が出なくなるまで
（ＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下になるまで）空気を投入す
る。
【００３０】以上のように、本発明によるＣＯを選択的
に除去する装置として水槽２７を利用したことで、装置
構成が簡略化され、また、制御が簡素化され、さらに、
触媒層内のガス温度が均一化されることで性能を向上さ
せることが可能となった。
に除去する装置として水槽２７を利用したことで、装置
構成が簡略化され、また、制御が簡素化され、さらに、
触媒層内のガス温度が均一化されることで性能を向上さ
せることが可能となった。
【００３１】本発明の他の実施の形態を図３に示す。図
３は、ＣＯ選択酸化器４を縦型に置いたものであり、Ｃ
Ｏ選択酸化器４内の配管を１つのコイル状配管で形成
し、その途中に空気投入口２２を複数段設けたものであ
る。その他の構造、機能は図１に示すものと同一である
ので説明は省略する。
３は、ＣＯ選択酸化器４を縦型に置いたものであり、Ｃ
Ｏ選択酸化器４内の配管を１つのコイル状配管で形成
し、その途中に空気投入口２２を複数段設けたものであ
る。その他の構造、機能は図１に示すものと同一である
ので説明は省略する。
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、燃料電池に供給する改
質ガス中に含まれるＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に低減す
るためのＣＯ選択酸化器の装置構成を簡略化することが
でき、また、制御も簡素化することができるので、製造
コストを低減できる効果がある。さらに、触媒層内のガ
ス温度を均一化することができるのでＣＯ選択酸化触媒
の性能を向上させることができる。
質ガス中に含まれるＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に低減す
るためのＣＯ選択酸化器の装置構成を簡略化することが
でき、また、制御も簡素化することができるので、製造
コストを低減できる効果がある。さらに、触媒層内のガ
ス温度を均一化することができるのでＣＯ選択酸化触媒
の性能を向上させることができる。
【図１】 本発明の実施の形態になる燃料電池システム
を示す。
を示す。
【図２】 本発明の実施の形態のＣＯ選択酸化触媒層の
温度分布を示す。
温度分布を示す。
【図３】 本発明の実施の形態になる燃料電池システム
を示す。
を示す。
【図４】 ＣＯ選択酸化触媒の特性を示す図で、温度と
ＣＯ濃度との関係を示す。
ＣＯ濃度との関係を示す。
【図５】 改質器から発生する改質ガスのガス組成を示
す。
す。
【図６】 従来技術の燃料電池システムを示す。
【図７】 従来技術におけるＣＯ選択酸化触媒層の温度
分布を示す。
分布を示す。
２ 改質器 ４ ＣＯ選択酸化器 ５ 固体高分子型燃料電池 ８ 熱交換器 １９ 水蒸気配管 ２０ 触媒 ２１ 燃焼装置 ２２ 空気投入口 ２３ 熱交換器 ２４ 温度計 ２５ ＣＯ濃度計 ２６ 空気投入量制御
器 ２７ 水槽 ２８ 加圧ポンプ ２９、３６ 水配管 ３０ ＣＯセンサ ３１ エジェクタ ３２ 熱交換器 ３３ ＣＯ選択酸化触媒 ３４ コイル状配管 ３５ 温度計 ３７ 改質ガス配管 ３８ ファン ４０ 熱交換器
器 ２７ 水槽 ２８ 加圧ポンプ ２９、３６ 水配管 ３０ ＣＯセンサ ３１ エジェクタ ３２ 熱交換器 ３３ ＣＯ選択酸化触媒 ３４ コイル状配管 ３５ 温度計 ３７ 改質ガス配管 ３８ ファン ４０ 熱交換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上名 克尚 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉事業所内 (72)発明者 阿津地 崇志 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉事業所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA17 KK31 KK48 MM12 MM16
Claims (7)
- 【請求項１】 炭素系燃料の燃料供給配管を接続し、該
燃料供給配管から供給される炭素系燃料から水素含有ガ
スを生成する改質器と該改質器で生成した改質ガス中の
一酸化炭素を選択的に燃焼させることで一酸化炭素含有
量を低減する一酸化炭素除去器と該一酸化炭素除去器で
得られた一酸化炭素含有量が低減した水素含有ガスを燃
料として発電する燃料電池とを備えた燃料電池システム
において、 前記一酸化炭素除去器は、一定温度に保たれた水槽と、
該水槽内に設けられた改質器で生成した改質ガスを流す
配管と、該配管の一以上の箇所に設けられた空気投入口
と、前記配管の出口に設けた一酸化炭素濃度検知器と、
一酸化炭素濃度検知器からの信号に基づいて前記空気投
入口より投入する空気量を調整する制御器とを備えたこ
とを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項２】 改質器内部に熱交換器を設け、該熱交換
器には水槽からの加熱水を供給する給水配管と、熱交換
器で前記加熱水から得られた蒸気を改質器に導入する蒸
気配管を接続したことを特徴とする請求項１記載の燃料
電池システム。 - 【請求項３】 蒸気を改質器に導入する蒸気配管は、炭
素系燃料を燃料供給配管から改質器へ吸引するためのエ
ジェクタを介して、燃料供給配管に接続していることを
特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 【請求項４】 燃料電池を冷却するための冷却水配管と
燃料電池で得られた燃料排ガスを燃料源とする燃焼装置
と該燃焼装置内へ熱交換器と水槽への加熱水供給配管を
設け、前記冷却水配管を前記燃焼装置の熱交換器を経由
して水槽への加熱水供給配管に接続したことを特徴とす
る請求項１記載の燃料電池システム。 - 【請求項５】 改質器内部に設けられた熱交換器に接続
する給水配管の水槽出口には水温度計が設けられ、該水
温計の水温検出値に基づき、前記制御器により給水量が
調節される給水量調節手段を燃焼装置の熱交換器から水
槽へ供給する加熱水配管に設けたことを特徴とする請求
項１記載の燃料電池システム。 - 【請求項６】 請求項５記載の燃料電池システムの運転
方法であって、燃焼装置の熱交換器から水槽へ供給する
加熱水配管に設けられる給水量調節手段の給水量を調節
することで、水槽内の水温は１５０〜２００℃の範囲の
いずれかの温度に保つことを特徴とする燃料電池システ
ムの運転方法。 - 【請求項７】 請求項５記載の燃料電池システムの運転
方法であって、燃焼装置の熱交換器から水槽へ供給する
加熱水配管に設けられる給水量調節手段として加圧ポン
プを用いることで水槽の内圧を４〜１５ｋｇ／ｃｍ２ｆ
の範囲のいずれかの圧力、水槽内の水温は１５０〜２０
０℃の範囲のいずれかの温度に保つことを特徴とする燃
料電池システムの運転方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000211885A JP2002025598A (ja) | 2000-07-12 | 2000-07-12 | 燃料電池システムとその運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000211885A JP2002025598A (ja) | 2000-07-12 | 2000-07-12 | 燃料電池システムとその運転方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002025598A true JP2002025598A (ja) | 2002-01-25 |
Family
ID=18707909
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000211885A Pending JP2002025598A (ja) | 2000-07-12 | 2000-07-12 | 燃料電池システムとその運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002025598A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040005064A (ko) * | 2002-07-08 | 2004-01-16 | 현대자동차주식회사 | 연료 전지용 일산화탄소 제거기의 공기 유량 제어장치 및방법 |
| JP2010180128A (ja) * | 2010-03-23 | 2010-08-19 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | 燃料処理システム |
| JP2010202447A (ja) * | 2009-03-03 | 2010-09-16 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 水素製造装置及び燃料電池システム |
-
2000
- 2000-07-12 JP JP2000211885A patent/JP2002025598A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040005064A (ko) * | 2002-07-08 | 2004-01-16 | 현대자동차주식회사 | 연료 전지용 일산화탄소 제거기의 공기 유량 제어장치 및방법 |
| JP2010202447A (ja) * | 2009-03-03 | 2010-09-16 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 水素製造装置及び燃料電池システム |
| JP2010180128A (ja) * | 2010-03-23 | 2010-08-19 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | 燃料処理システム |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2012092007A (ja) | 燃焼工程の温度制御 | |
| JP2000203804A (ja) | 燃料改質装置および燃料改質方法 | |
| JP4030322B2 (ja) | 燃料処理装置、燃料電池発電システム、燃料処理方法及び燃料電池発電方法 | |
| JP4939114B2 (ja) | 燃料処理装置及び燃料電池システム | |
| KR100759693B1 (ko) | 일산화탄소 저감기 및 연료전지용 개질기 | |
| JP2000169102A (ja) | 燃料改質器 | |
| JP2002319416A (ja) | 複合熱及び電力プラント、並びにその操作方法 | |
| JP2002025598A (ja) | 燃料電池システムとその運転方法 | |
| JP3490877B2 (ja) | 燃料電池用改質装置の起動方法 | |
| JP4189731B2 (ja) | 自己酸化内部加熱型水蒸気改質システムとその起動方法 | |
| JP4486832B2 (ja) | 水蒸気改質システム | |
| JP2004031280A (ja) | 燃料処理装置、燃料電池発電システム、燃料処理方法及び燃料電池発電方法 | |
| JPH08133701A (ja) | 一酸化炭素除去装置 | |
| JP2004155650A (ja) | 自己酸化内部加熱型水蒸気改質システム | |
| JP2006294464A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP2001068137A (ja) | Ｃｏ除去装置及び燃料電池発電システム | |
| JP4847053B2 (ja) | 改質システムの負荷制御方法 | |
| JP2005314180A (ja) | 自己酸化内部加熱型改質装置の停止方法 | |
| JPH04243538A (ja) | 燃料電池用燃料改質器の触媒層温度制御方法及びその装置 | |
| JP4676819B2 (ja) | 改質触媒の還元方法 | |
| JP2006335623A (ja) | 改質システム | |
| JP2005216615A (ja) | 燃料処理装置及び燃料電池発電システム | |
| JP2002025597A (ja) | 燃料電池用の改質装置とその運転方法 | |
| JPS5823168A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP2006315874A (ja) | 燃料電池発電システムの起動方法 |