JP2002216831A

JP2002216831A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP2002216831A
Application number: JP2001015379A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Ukai; 邦弘鵜飼; Kiyoshi Taguchi; 清田口; Takeshi Tomizawa; 猛富澤; Seiji Fujiwara; 誠二藤原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2002-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】石炭と水をもとに発生させた水素を含む水性
ガスを原料として発電する燃料電池発電装置に関し、ガ
ス中の一酸化炭素を発電装置前で低減し、安定して発電
できる高効率型の燃料電池発電装置を提供することを目
的とする。【解決手段】石炭と水とを反応させた水素を含む水性
ガスを原料とし、前記水性ガス中の一酸化炭素を除去す
る一酸化炭素除去部と、燃料電池発電部とを具備し、前
記一酸化炭素除去部を介して前記燃料電池発電部に水素
ガスを供給する構成により、原料ガス基準のエネルギー
効率の高い燃料電池発電装置を提供できるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石炭と水をもとに
発生させた水性ガス、特にそのガスインフラを利用し、
前記水性ガス中の水素ガスを燃料として発電する燃料電
池発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱と電気を有効に利用する分散型発電装
置として、水素ガスを燃料とする発電効率の高い燃料電
池発電装置を用いたコージェネレーションシステムが注
目されている。

【０００３】現状では燃料となる水素ガスインフラが整
っていないため、発電装置設置場所において、天然ガ
ス、ＬＰＧ等の炭化水素成分、メタノール等のアルコー
ル、あるいはナフサ成分等の原料と水を、改質触媒を設
けた水素生成装置で反応させ水素を発生させる水蒸気改
質法、および水蒸気改質反応と原料の部分酸化反応を併
用するオートサーマル法により生成されていることが多
い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】原料の水蒸気改質反応
は吸熱反応であるため、その熱源として、原料の一部お
よび燃料電池からの排気水素ガスの燃焼熱が用いられ
る。この反応をスムーズに進行させるためには、水素生
成装置を比較的高温で作動させる必要がある。その結
果、装置からの放熱、燃焼ガスによる熱損失が生じ、燃
料電池発電装置としてのエネルギーの利用効率が低下し
てしまう課題がある。

【０００５】また、天然ガス、あるいは石油に由来する
原料は、将来安定供給が困難となる可能性がある。

【０００６】将来まで安定してガス供給できるインフラ
として、石炭と水とを高温で反応させた水性ガスのガス
供給方法がある。また、このガスは水素を含むため、水
素生成装置で改質反応させることを行わずに燃料電池発
電装置の原料として利用可能である。

【０００７】しかし、そのガス中には一酸化炭素が多量
に含まれているため、そのまま燃料電池発電装置に供給
した場合、燃料電池のアノード電極が被毒し、正常に作
動しないという課題がある。

【０００８】また、一酸化炭素除去部となる変成部で効
果的に一酸化炭素を低減するためには、水性ガス中の水
蒸気濃度を適正に管理することが重要となる。しかし、
水性ガスは水蒸気を含む場合が多く、変成部に供給する
水蒸気量の管理が難しくなる。

【０００９】また、低温で作動する高分子型燃料電池に
水素ガスを供給する場合においても、高い発電効率を得
るためには水素ガス中の湿度を管理して供給する必要が
ある。

【００１０】本発明は、上記従来の分散型燃料電池発電
装置に関しての課題を解決するものであり、ガス中の一
酸化炭素を発電装置前で低減し、安定して発電できる高
効率型の燃料電池発電装置を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、石炭と水とを反応させた水素を含む水性ガ
スを原料とし、前記水性ガス中の一酸化炭素を除去する
一酸化炭素除去部と、燃料電池発電部とを具備し、前記
一酸化炭素除去部を介して前記燃料電池発電部に水素ガ
スを供給することを特徴とするものである。

【００１２】また、本発明は、前記一酸化炭素除去部に
水蒸気と一酸化炭素を変成反応させる変成部を設け、前
記変成部に水蒸気を供給する水蒸気供給部を設けたもの
である。

【００１３】また、本発明は、前記燃料電池発電部から
の排気水素ガスの反応熱を、前記変成部および／または
前記水蒸気供給部の熱源とすることを特徴とするもので
ある。

【００１４】また、本発明は、前記変成部後に一酸化炭
素を酸化反応および／またはメタン化反応させる浄化部
を設けたものである。

【００１５】また、本発明は、前記水性ガスのガス供給
源と燃料電池発電部の間に、ガス供給源より供給される
ガス中の硫黄成分を除去する脱硫部を設けたものであ
る。

【００１６】また、本発明は、ガス供給源から供給され
る水性ガス中の水蒸気濃度を測定する湿度検出部を設
け、その検知水蒸気濃度をもとに、前記水蒸気供給部よ
り供給する水蒸気量を制御することを特徴とするもので
ある。

【００１７】また、本発明は、前記水蒸気供給部より供
給する水蒸気量を、ガス供給源より供給されるガス中の
一酸化炭素量の１から４倍となるように供給することを
特徴とするものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を用いて説明する。

【００１９】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１における燃料電池発電装置の構成図であり、図１に
おいて、１は水素を含む原料ガスの供給源となるガス供
給部である。本発明では、石炭と水を高温で反応させた
水性ガスが原料ガスインフラとして供給されることを想
定しており、乾ガスベースで水素を約５０％、一酸化炭
素を約４０％、残りは二酸化炭素、窒素を含むガスの供
給装置とした。

【００２０】前記ガス供給部１は、原料となる石炭と水
を高温で反応させ水性ガスを生成させる装置であればど
のような装置でもよく、従来都市ガスの供給源として用
いられていた装置、例えばＣ．Ｗ．Ｇ．（Ｃａｒｂｕｒ
ｅｔｔｅｄＷａｔｅｒＧａｓ）発生装置等を用いて
よい。ここでは、その詳細構成の説明は省略する。

【００２１】２は原料ガスをガス供給部１より供給する
原料ガス供給ライン、３は原料ガス供給ライン２の一端
に設けた原料ガス供給口となる接続部であり、容易に着
脱が可能な形状となっている。

【００２２】４は原料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫
部であり、ここではＮｉ−Ｍｏ系の触媒を用い硫黄成分
を水添反応させ硫化水素としＺｎＯを用い除去する構成
とした。また、水添反応は３００゜Ｃ程度の温度で優れ
た反応性が得られるため、脱硫部４は触媒を加熱する構
成（図示せず）を有している。

【００２３】なお、脱硫部４は、原料ガス中の硫黄成分
が硫化水素成分のみであればＺｎＯのみで除去すること
も可能であり、原料ガス中の硫黄成分が除去できればい
かなる構成のものを用いてもよい。

【００２４】５は原料ガス中の一酸化炭素除去部となる
変成部で、変成触媒を用い一酸化炭素と水蒸気を変成反
応させ低減させる。その変成触媒として、Ｃｕ−Ｚｎ系
触媒を用いた。なお、変成触媒として、Ｆｅ系触媒、あ
るいはＰｔ系触媒を用いてもよい。

【００２５】６は変成部５を加熱する変成加熱部であ
る。変成触媒は２００から３００゜Ｃ程度で優れた反応
性を得ることができるため、変成加熱部６を用いて加熱
する。なお、本発明では火炎バーナーを用い、原料ガス
を加熱し変成触媒温度を上昇させる構成（詳細は図示せ
ず）としたが、触媒燃焼、電気ヒータ等加熱できる構成
であればどのような構成でもよい。

【００２６】７は変成部前の原料ガスに水蒸気を供給す
るための変成水供給部となる水ポンプで、本発明では変
成加熱部６の熱量を利用し供給した水を水蒸気とし原料
ガスに添加した。

【００２７】８は変成部５後のガスに酸化性ガスを供給
するための酸化性ガス供給部で、酸化性ガスとして空気
を供給するエアーポンプとした。

【００２８】９は一酸化炭素除去部となる浄化部で、酸
化触媒を用い一酸化炭素を酸化させ低減する。酸化触媒
としてＰｔ系触媒を用いたが、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ系触媒
あるいはそれらの複合触媒を用いてもよい。

【００２９】また、浄化部では一酸化炭素を酸化除去す
るだけでなく、例えば、Ｒｕ系あるいはＮｉ系触媒を用
い一酸化炭素をメタン化させることで低減してもよい。

【００３０】１０は水素ガスを原料として発電を行う燃
料電池発電部で、高分子型燃料電池発電部（詳細は図示
せず）を用いた。この燃料電池発電部１０のアノード電
極側に、浄化部９より水素ガスを供給する。供給は水素
供給ライン１１を用いて行う。また、アノード電極出口
には、燃料電池で消費されなかった水素を含むガスを排
気する排気水素ライン１３が接続されている。この排気
水素ライン１３は変成加熱部６に接続されている。ま
た、排気水素ラインには、水素供給ライン１１より分岐
した水素供給バイパスライン１２、および排気口１４が
接続されている。

【００３１】なお、水素供給ライン１１、水素供給バイ
パスライン１２、排気水素ライン１３、排気口１４のそ
れぞれの部分には、通気するガスの閉止構成を設けてあ
る。

【００３２】また、１５は原料ガス中の水蒸気濃度を測
定する湿度検出部、１６は水供給量の水供給部制御部で
あり、湿度検出部１５での水蒸気濃度の検出量に応じて
水ポンプ７を制御し、変成水供給部からの供給水量を調
整する構成としている。

【００３３】以下、この燃料電池発電装置における発電
時の動作について説明する。

【００３４】まず、ガス供給部１を作動させ、石炭と水
を反応させた水性ガスを発生させる。水性ガスは、乾ガ
スベースで水素を約５０％、一酸化炭素を約４０％、残
り二酸化炭素、窒素等を含む組成となっている。また、
石炭と水とを反応させる時、水が過剰に加えられるた
め、実運転状態では水蒸気を含むガス組成となる。な
お、このガス組成は、ガス供給部の運転状況で変化す
る。

【００３５】このガスを原料ガス供給ライン２を通し、
原料ガス供給口となる接続部３に接続した脱硫部４に供
給する。このとき湿度検出部１５を用い、原料ガス中の
水蒸気濃度を測定する。

【００３６】基本的には、ガス供給部において酸化鉄等
の吸収剤を用いて原料ガス中の石炭に由来する硫黄成分
をあらかじめ除去する。しかし、燃料電池発電部１０に
供給する場合、その電池電極触媒が硫黄により被毒し特
性が低下するため、本発明では脱硫部４を設け、原料ガ
ス中の硫黄成分を数ｐｐｂ以下まで低減する。原料ガス
中には水素を含むため、容易に水添反応させることがで
きる。そこで、Ｎｉ−Ｍｏ系の触媒を用い、約３００゜
Ｃに加熱した触媒で硫黄成分を水添反応させ硫化水素と
し、ＺｎＯを用い除去する。

【００３７】脱硫部４後の原料ガスは、ペレット状のＣ
ｕ−Ｚｎ系触媒を納めた変成部５に供給する。変成部５
での変成反応は、２００から３００゜Ｃの温度で効果的
に一酸化炭素を低減することができる。そこで、変成加
熱部６を用い、原料ガスを加熱し変成触媒を約２５０゜
Ｃに加熱する。なお変成触媒温度は、変成部５に温度測
定手段を設けることで測定する。

【００３８】この時、変成加熱部６の熱量を利用し変成
水供給部７からの水を水蒸気とし、原料ガス中の一酸化
炭素モル量の等量以上の水蒸気モル量となるように原料
ガスに添加した後、原料ガスを変成部５に供給する。

【００３９】なお、水蒸気量が多い場合、変成部での一
酸化炭素低減量は大きくなるが、水蒸気発生のために使
用する熱量が増加するため燃料利用効率を考慮した場合
あまり好ましくない。

【００４０】しかし、燃料電池発電装置は、水素ガス中
に水蒸気を含まなければ発電特性が得られないものがあ
る。例えば、高分子型燃料電池は、動作温度に近い水蒸
気露点で、水素ガスを供給する必要がある。高分子型燃
料電池の動作温度は、用いられている高分子膜の耐熱温
度を考慮すると約８０゜Ｃとなる。

【００４１】従って、本発明のように水性ガスを用いる
装置においては、その組成を考慮すると原料ガス中の一
酸化炭素モル量の４倍以下となるように水蒸気を供給す
ることが望ましい。

【００４２】水素ガス中の水蒸気量を正確に制御するた
めには、ガス供給源より供給される原料ガス中の水蒸気
量も考慮する必要がある。そこで、本発明では予め原料
ガス中の水蒸気濃度を湿度検出部１５で測定を行い、そ
の検知濃度をもとに水蒸気供給量を制御する。なお、原
料ガスインフラを通し水性ガスが供給される場合、原料
ガス中の水蒸気濃度は、そのときのガス温度での飽和水
蒸気量に近い値となることが多い。

【００４３】変成部５では、変成反応により原料ガス中
の一酸化炭素は、乾ガスベースで約０．５％まで低減さ
せる。この変成部５後のガスに、酸化性ガス供給部８と
なるエアーポンプから空気を供給した後、一酸化炭素除
去部となる浄化部９に供給する。供給する空気量は、原
料ガス中の一酸化炭素モル量の約２倍の酸素モル量を含
む量を目安とする。

【００４４】浄化部９では、浄化触媒であるＰｔ触媒で
一酸化炭素を酸化することで低減させる。浄化触媒の動
作温度は、浄化部９に温度測定手段を設けることで測定
し、その温度が１００から２００゜Ｃの範囲となるよう
に運転することで、一酸化炭素を乾ガスベースで２０ｐ
ｐｍ以下まで低減する。

【００４５】この浄化部９後の原料ガスは水素供給ライ
ン１１を通し、高分子型燃料電池発電部１０のアノード
電極側に供給し発電する。なお、発電時の燃料電池発電
部１０でのカソード電極、加湿条件、運転温度等の運転
条件の詳細説明については省略する。

【００４６】燃料電池発電部１０では原料ガス中の水素
を用い発電するが、本実施例では燃料電池発電部１０で
の発電性を考慮し、アノード電極での水素利用率を７５
〜８０％の値で設定し運転する。その結果、アノード電
極より未使用の水素ガスを含む排気水素ガスが排気され
る。この排気水素ガスは、アノード電極出口に接続され
ている排気水素ライン１３を通り、変成加熱部６に供給
する。

【００４７】変成加熱部６ではこの排気水素ガスを燃焼
させ、変成部前の原料ガス加熱と水蒸気の発生の熱源と
して利用する。なお、装置起動時は、変成部５、浄化部
９の触媒温度が低く十分に一酸化炭素を低減できないた
め、浄化部９後の原料ガスは燃料電池発電部１０に供給
せず、水素供給バイパス１２を通し変成加熱部７に供給
し変成部５および浄化部９の加熱に利用する。

【００４８】なお、変成加熱部として希薄ガスを燃焼さ
せることができる触媒燃焼方式を用いることで、燃料電
池発電部での水素利用率が多くなる場合の排気水素ガス
燃焼にも対応できる。

【００４９】なお、本実施の形態では、変成部の後に浄
化部９を設け一酸化炭素を２０ｐｐｍ程度まで低減させ
る構成としたが、発電部として用いる燃料電池発電部の
種類によりその構成は必要でなくなる場合がある。例え
ば、リン酸型燃料電池発電部を用いた場合、一酸化炭素
を数千ｐｐｍ程度まで低減できればよいことから、一酸
化炭素除去部は、浄化部を除き構成することも可能であ
る。

【００５０】本発明は、上記構成および上記動作によ
り、供給される原料ガスのもつエネルギーを基準とした
場合の燃料電池発電装置としてのエネルギー効率を向上
させるものである。以下にその特長について説明する。

【００５１】本発明では、石炭と水とを反応させ発生さ
せた水性ガスのガスインフラを利用し、そのガスを燃料
とし、燃料電池発電部で発電する。この水性ガスは、乾
ガスベースで水素を約５０％含む。そのため、原料ガス
を改質反応させることなく、水素を燃料として発電する
燃料電池発電部の原料ガスとして用いることができるも
のである。

【００５２】一般的に燃料から水素を発生させる改質反
応は高温での吸熱反応であるため、改質反応させる燃料
の改質部を比較的高温で動作させる必要がある。例え
ば、メタンを主成分とする天然ガスを水蒸気と改質反応
させる場合、改質部の触媒を７００゜Ｃ程度の高温に維
持する必要がある。この高温部分では少なからず放熱が
生じるため、その放熱は熱損失となり、原料ガスを基準
としたエネルギー効率は低下する。

【００５３】しかし、本発明では、その高温部分が装置
内に存在しないため原料ガスを基準としたエネルギー効
率を高くできるという構成上の効果を得ることができる
が、水性ガスは一酸化炭素を約４０％と多く含むことか
ら、現在実用化されているリン酸型燃料電池発電部、あ
るいは開発が進められている固体高分子型燃料電池にそ
のまま供給することはできない。例えば、リン酸型燃料
電池発電部では一酸化炭素濃度を数千ｐｐｍ程度、固体
高分子型燃料電池では数十ｐｐｍ程度まで低減しない
と、アノード電極触媒が一酸化炭素で被毒し発電特性が
低下する。

【００５４】そこで、本発明では一酸化炭素除去部を燃
料電池発電部の前に設け、一酸化炭素を低減することで
対応する構成とした。その一酸化炭素除去部として用い
る、変成部および浄化部は常温よりも高い温度で作動さ
せる。さらに変成部での変成反応に必要な水蒸気成分
を、原料ガスに供給する必要がある。

【００５５】そこで、加熱部を設け各反応部を加熱する
と共に、水蒸気を発生させる。またその加熱部の熱源と
して、燃料電池発電部アノード電極側より排気される排
気水素ガスを用いる構成もその特長とする。

【００５６】この構成により、原料ガスの一部を燃焼に
用いず、変成部と浄化部の加熱および水蒸気の発生がで
きるため、原料ガスを基準としたエネルギー効率を高く
できる効果をより大きくすることができる。

【００５７】また、水性ガス中には石炭に由来する硫黄
成分あるいは硫黄系付臭成分により各反応部での触媒が
被毒されることがあるため、脱硫部を設け原料ガスより
予め硫黄成分を除去することも特長の一つとする。

【００５８】なお、石炭は比較的豊富に存在しているた
め、石炭より発生させた水性ガスは、天然ガスあるいは
石油系ガスと比較して将来的にも安定して供給できる。
また、以前は都市ガスインフラにこの水性ガスが広く用
いられていた経緯があったことから、将来的には家庭あ
るいは事業所での原料ガスインフラとして用いることが
できるもので、その場合、ガス供給部は燃料電池発電装
置個別に設ける必要が無くなるものである。

【００５９】燃料電池発電装置としてのエネルギー効率
は、発電部の発電効率と発電部での水素消費量、および
水素生成時の水素生成効率で関係付けられる。供給する
水素量および発電量を一定とした場合、発電部での発電
効率は一定の値となる。従って、燃料電池発電装置とし
てのエネルギー効率は、水素生成時の水素生成効率で比
較できる。

【００６０】そこで、現在都市ガスとして多く用いられ
ている天然ガスを原料ガスとし、水蒸気改質して燃料電
池発電部に供給した場合と、石炭と水とを反応させ発生
させた水性ガスを原料ガスとし発電した場合の、原料ガ
スを基準とした燃料電池発電装置としてのエネルギー効
率を比較した結果について説明する。

【００６１】本実施例で示した装置において、石炭と水
とを反応させ発生させた水性ガスを原料ガスとし発電し
た場合、原料ガスである水性ガスを消費すること無く装
置を作動させることができるが、天然ガスを原料ガスと
し水蒸気改質して燃料電池発電部に供給した場合、改質
部を高温にするため、原料ガスとなる天然ガスの一部を
燃焼させその熱量を利用する結果となった。

【００６２】すなわち、石炭と水とを反応させ発生させ
た水性ガスを原料ガスとした場合、原料ガスを基準とし
たエネルギー効率は向上できる結果となった。なお、天
然ガスを原料ガスとし水蒸気改質して燃料電池発電部に
供給した場合の改質部での原料ガスの利用量は、アノー
ド電極での水素利用率で変化するものである。

【００６３】

【発明の効果】以上のように、本発明は燃料電池発電装
置の原料ガスとして石炭と水とを反応させた水素を含む
水性ガスを用い、一酸化炭素除去部を設け、一酸化炭素
を除去してから燃料電池発電部に水素を供給し発電する
ことにより、原料ガスを高温で改質反応させる改質部が
不要となり、改質部温度維持に原料ガスの一部が消費さ
れず、水素ガスを供給できる。すなわち、原料ガス基準
のエネルギー効率の高い燃料電池発電装置を提供できる
ものである。

【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装
置の構成図

【符号の説明】

１ガス供給部２原料ガス供給ライン３接続部４脱硫部５変成部６変成加熱部７変成水供給部８酸化ガス供給部９浄化部１０燃料電池発電部１１水素供給ライン１２水素供給バイパスライン１３排気水素ライン１４排気口１５湿度検出部１６水供給部制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者富澤猛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)発明者藤原誠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Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA16 BA17 KK31 MM14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】石炭と水とを反応させた水素を含む水性
ガスを原料とし、前記水性ガス中の一酸化炭素を除去す
る一酸化炭素除去部と、燃料電池発電部とを具備し、前
記一酸化炭素除去部を介して前記燃料電池発電部に水素
ガスを供給することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】前記一酸化炭素除去部に水蒸気と一酸化
炭素を変成反応させる変成部を設け、前記変成部に水蒸
気を供給する水蒸気供給部を設けたことを特徴とする請
求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】前記燃料電池発電部からの排気水素ガス
の反応熱を、前記変成部および／または前記水蒸気供給
部の熱源とすることを特徴とする請求項２記載の燃料電
池発電装置。
【請求項４】前記変成部後に一酸化炭素を酸化反応お
よび／またはメタン化反応させる浄化部を設けたことを
特徴とする請求項２あるいは３記載の燃料電池発電装
置。
【請求項５】前記水性ガスのガス供給源と燃料電池発
電部の間に、ガス供給源より供給されるガス中の硫黄成
分を除去する脱硫部を設けたことを特徴とする請求項１
から４いずれかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】ガス供給源から供給される水性ガス中の
水蒸気濃度を測定する湿度検出部を設け、その検知水蒸
気濃度をもとに、前記水蒸気供給部より供給する水蒸気
量を制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池
発電装置。
【請求項７】前記水蒸気供給部より供給する水蒸気量
を、ガス供給源より供給されるガス中の一酸化炭素量の
１から４倍となるように供給することを特徴とする請求
項２あるいは６記載の燃料電池発電装置。