JP2002367653A

JP2002367653A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP2002367653A
Application number: JP2001167969A
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: 2001-06-04
Filing date: 2001-06-04
Publication date: 2002-12-20

Abstract

(57)【要約】【課題】一酸化炭素を酸化反応させる浄化部に、一酸
化炭素の酸化に必要な酸素量以上の酸素を供給し、過剰
の酸素供給により燃料となる水素が酸化されることによ
る、燃料電池発電装置の発電効率の低下を防止すること
を目的とする。【解決手段】改質部１と、変成部５と浄化部７で構成
する一酸化炭素除去部と、一酸化炭素除去部に酸化ガス
を供給する酸化ガス供給部６と、一酸化炭素除去部から
の水素ガスをもとに発電をおこなう燃料電池発電部８
と、燃料電池発電部８に設けその動作温度を検出する温
度検出部１１と、温度検出部の検出温度に基づいて酸化
ガス供給部からの酸化ガス供給量を制御する酸化ガス制
御部１２を有する燃料電池発電装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素系の燃料
を改質して生成した水素ガスを利用し、比較的低温で発
電を行う燃料電池発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】発電効率の高い燃料電池発電装置は、発
電時に発生した熱が有効に利用できるため、家庭用のコ
ージェネレーションへの応用が期待されている。

【０００３】家庭用途においては、装置の頻繁な起動停
止への対応、装置の耐久性およびコスト低減の観点か
ら、燃料電池発電装置は比較的低温で作動させることが
望ましい。そこで、発電部として高分子電解膜を用いた
固体高分子型燃料電池の開発が進められている。

【０００４】燃料電池の多くは水素を燃料として発電す
る。現状ではその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、Ｌ
ＰＧ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を改質する水素生成部が併用
される。

【０００５】この水素生成部で精製した水素ガス中に
は、燃料に由来する、二酸化炭素および一酸化炭素が副
成分として含まれる。現在開発が進められている固体高
分子型燃料電池は低温度で作動するため、電池電極触媒
の活性維持の観点から、その一酸化炭素をできるだけ低
減させる必要がある。

【０００６】そこで、水素生成部では、水素ガスを生成
する改質部と、前水素ガス中の一酸化炭素と水をシフト
反応させる変成部、および一酸化炭素を酸化反応させる
浄化部で構成される一酸化炭素除去部が併用される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池発電部の一酸
化炭素に対する許容濃度は、その動作温度に影響され
る。例えば、比較的高温で動作する場合においては、そ
の許容濃度は高くできる。しかし、燃料電池の動作温度
は、電池での発電状態あるいは熱利用状況により変動す
る。その変動の対応として、現状では一酸化炭素濃度を
できるだけ低くするため、一酸化炭素を酸化反応させる
浄化部に、一酸化炭素酸化の等量酸素量以上の酸素が供
給されている。その結果、過剰の酸素供給により燃料と
なる水素が酸化されるため、燃料電池発電装置の発電効
率を低下する原因となっている。

【０００８】一方、耐一酸化炭素性向上の観点から、高
分子電解膜の耐熱性を向上させ燃料電池発電部の動作温
度を高くする組みも行われている。しかし、起動時は高
温動作の燃料電池発電部においても低温度での動作とな
るため、電池電極触媒の活性維持の観点からは、一酸化
炭素濃度を幅広く制御することが必要となる。すなわ
ち、燃料電池発電装置の発電効率を向上させるために
は、燃料電池発電部の動作条件に対応して、一酸化炭素
濃度を制御することが望まれている。

【０００９】本発明は、上記従来の分散型燃料電池発電
装置に関しての上記課題を解決するものであり、高い発
電効率を実現する燃料電池発電装置を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の燃料電池発電装置は少なくとも炭素および
水素原子で構成される原料と水を反応させ水素ガスを生
成する改質部と、前記改質部からの水素ガス中の一酸化
炭素と水を少なくともシフト反応、酸化反応またはメタ
ン化反応させる一酸化炭素除去部と、前記一酸化炭素除
去部に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、前記一酸
化炭素除去部からの水素ガスを元に発電をおこなう燃料
電池発電部と、前記燃料電池発電部の動作温度を検出す
る温度検出部と、前記温度検出部の検出温度に基づいて
前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を制御する酸
化ガス供給量制御部を有するものである。

【００１１】また、本発明は前記温度検出部の検出温度
が第１の基準値を下回る場合には、前記一酸化炭素除去
部に酸化ガスを一定量供給し、前記温度検出部の検出温
度が前記第１の基準値を上回る場合には、前記温度検出
部の検出温度の上昇に伴い前記酸化ガスの供給量を減少
するように前記酸化ガス供給量制御部を作動させること
を特徴とするものである。

【００１２】また、本発明は前記温度検出部の検出温度
が第２の基準値を下回る場合には、前記一酸化炭素除去
部に酸化ガスを一定量供給し、前記温度検出部の検出温
度が前記第２の基準値を上回りかつ第３の基準値を下回
る場合には前記温度検出部の検出温度の上昇に伴い前記
酸化ガスの供給量を減少させ、前記温度検出部の検出温
度が前記第３の基準値を上回る場合には、前記酸化ガス
の供給を停止するように前記酸化ガス供給量制御部を作
動させることを特徴とするものである。

【００１３】

【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。

【００１４】（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る。図１に
おいて、１は、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
と水蒸気を改質反応させる改質部で、Ｒｕを主成分とし
た改質触媒体（図示せず）を備える。２は、改質部１の
加熱部で、火炎バーナーで構成し（詳細は図示せず）、
改質反応に必要な熱を改質触媒体に供給する。

【００１５】３は、改質反応に必要な原料を改質部１に
供給する原料供給部で、本実施の形態では天然ガスを原
料とした。そこで、既存の天然ガスインフラより原料ガ
スを供給する構成とし、原料ガス供給圧力を昇圧するブ
ースターと天然ガス中の付臭成分を除去する吸着脱硫器
を有する（詳細は図示せず）。

【００１６】４は、改質反応に必要な水を改質部１に供
給する水供給部で、プランジャーポンプおよび貯水部で
構成する。５は、改質部１後の水素ガス中の一酸化炭素
と水をシフト反応させる変成部で、変成触媒としてＣｕ
−Ｚｎ系の触媒を充填している。６は、変成部５後の水
素ガスに酸化ガスである空気を供給するエアーポンプか
らなる空気供給部で、電圧を変化させることで供給空気
量が可変となる。

【００１７】７は、変成部５後の水素ガス中の一酸化炭
素を酸化させる浄化部で、浄化触媒としてＲｕ触媒を用
いた。本実施の形態では、変成部５および浄化部７で一
酸化炭素除去部を構成する。また、改質部１、一酸化炭
素除去部、およびそれらを作動させるためのアクチュエ
ータ類で水素生成部を構成する。

【００１８】８は、固体高分子を電解質とした燃料電池
発電部であり、電池電極のアノード側に水素ガスが供給
される。９は、燃料電池発電部８に発電に利用する空気
を電池電極のカソード側に供給するブロアーである。１
０は、燃料電池発電部８から発電時に発生する熱を回収
する熱回収部であり、冷却水を用い熱回収する構成（詳
細は図示せず）とした。

【００１９】１１は、燃料電池発電部８の動作温度を測
定する電池温度測定部である。１２は、酸化ガス制御部
で、電池温度測定部で検出した温度に基づいて空気供給
部６からの空気供給量を制御する動作を行う。１３は、
燃料電池発電部８で消費されなかった排水素の排水素ガ
ス経路で、加熱部２に供給する構成となっている。

【００２０】以下、この燃料電池発電装置における発電
時の装置動作について説明する。

【００２１】まず、水素生成部で水素ガスを生成するた
め、改質部１に原料となる天然ガスを原料供給部３から
供給する。天然ガス中の付臭成分は、改質触媒体の被毒
成分となるため予め脱硫器（図示せず）で除去する。同
時に改質反応に必要な水を水供給部４から供給する。水
の量は、天然ガス中の炭素原子数の約３倍となる量を目
安に供給する。このとき、天然ガスの一部を加熱部２で
燃焼させ、改質反応に必要な熱量を供給する。改質反応
は、約７００℃とした改質部２の改質触媒体上で進行さ
せる。この改質反応後の水素ガス中には、一酸化炭素お
よび二酸化炭素がＤＲＹガスベースで約１０％含まれ
る。

【００２２】次に、この水素ガスを変成部５に供給す
る。変成部５では、変成触媒体を２５０℃程度とし、一
酸化炭素と水のシフト反応を進行させる。その結果、変
成部後の水素ガス中には、ＤＲＹガスベースで一酸化炭
素が約０．５％および二酸化炭素が約１９．５％含まれ
る。

【００２３】次に、その水素ガスに酸化ガスである空気
を空気供給部６より供給する。浄化部７では、浄化触媒
体で水素ガス中の一酸化炭素と酸素を反応させ一酸化炭
素を低減する。なお、Ｒｕ触媒を用いているので、若干
の一酸化炭素がメタネーションによりメタンとなる反応
も起こる。効果的に一酸化炭素を低減するため、浄化触
媒体温度が１２０から１６０℃程度となるように動作さ
せる。

【００２４】次に、浄化部７後の水素ガスを、燃料電池
発電部８のアノード電極側に供給する。燃料電池発電部
８のカソード電極側には、電池反応に必要な空気をブロ
アー９より供給する。燃料電池発電部８では、水素ガス
と空気を反応させて発電する。この時電池部分で発生す
る熱は、熱回収部１０を作動させ冷却水を循環させるこ
とで熱を回収し、最終的には給湯あるいは暖房等の熱源
として利用する。また、発電で利用されなかった水素ガ
スは、カソード電極より排水素ガス経路１３を介して排
気し、加熱部２に供給することで改質部１の加熱源とし
て利用する。上記のように各構成部分を動作させること
で、発電するとともに熱エネルギーを得る。

【００２５】次に、上記発電動作時の本発明の特徴につ
いて説明する。

【００２６】本発明における浄化部７では、供給する空
気量により出口水素ガス中の一酸化炭素濃度を変化させ
ることができる。図２に、本実施の形態における浄化部
７の触媒体温度と浄化部出口ガス中の一酸化炭素濃度の
関係の一測定例を示す。供給する空気量を一酸化炭素の
酸化に必要な空気量の４倍導入した場合、１２０から１
６０℃の温度範囲で出口一酸化炭素濃度を２０ｐｐｍ以
下にできる。供給する空気量を少なくし一酸化炭素の酸
化に必要な空気量の２倍とした場合、１２０から１６０
℃の温度範囲で出口一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ程度
となる。供給する空気量を増加させた場合、水素の酸化
量が増加するため、燃料電池発電部に供給する水素量が
減少する。例えば、一酸化炭素酸化に必要な空気量の２
倍および４倍供給時の水素消費量を比較すると、全体量
の約１％相当の水素をより多く消費する。従って、供給
する水素量を基準とした場合、浄化部７に供給する空気
量は少ない方が望ましい。

【００２７】一般的に固体高分子を電解質として有する
燃料電池発電部は低温で作動させるため、水素ガス中の
一酸化炭素が発電特性に及ぼす影響は大きく、低濃度の
一酸化炭素でもアノード側電池電極触媒を被毒し発電特
性を低下させ、発電効率を低下させる。その一酸化炭素
の許容素濃度は、燃料電池発電部の動作温度に依存す
る。

【００２８】図３に、水素ガス中の一酸化炭素濃度とそ
の一酸化炭素濃度で発電特性を維持する燃料電池発電部
８の動作温度の関係を示す一測定例を示す。燃料電池発
電部８で効果的に発電をするためには、動作温度が６０
℃以下の場合水素ガス中の一酸化炭素濃度を２０ｐｐｍ
以下にする必要がある。一方、動作温度が８０℃の場
合、水素ガス中の一酸化炭素濃度は１００ｐｐｍ程度で
も同等の発電特性が得られる。すなわち、電池温度測定
部８の動作温度により、浄化部７出口水素ガス中の一酸
化炭素濃度の下限値が決まる。

【００２９】そこで本実施の形態では、発電動作時に、
電池温度測定部１１で燃料電池発電部８の動作温度を測
定する。その測定した温度をもとに酸化ガス制御部１２
を動作させ、変成部５後の水素ガスに供給する空気量を
変化させる。すなわち、動作温度が第１の基準値以下の
低温度の場合、一酸化炭素による発電特性低下を防止す
るため、一酸化炭素濃度を効果的に低減するために必要
な量の空気を供給する制御を行う。また、動作温度が上
昇し第１の基準値以上となった場合、浄化部での水素消
費を少なくするために供給する空気を低減する制御を行
うことを特徴とする。これにより、燃料電池発電部８
は、広い動作温度範囲で高い発電効率を得ることを可能
とするものである。

【００３０】本実施の形態では、燃料電池発電部８の動
作温度に８０℃の第１の基準値を設けた。電池温度測定
部１１で検出した温度が８０℃以下の場合、浄化部７後
の水素ガス中の一酸化炭素濃度を２０ｐｐｍ以下にする
ため、供給する空気量を一酸化炭素の酸化に必要な空気
量の４倍導入した。次に、燃料電池発電部での発電量の
増加に伴い動作温度が上昇し第１の基準値の８０℃以上
になった場合、浄化部７での水素消費量を減少させるた
め、供給する空気量を減少させ一酸化炭素の酸化に必要
な空気量の２倍とした。浄化部７出口の水素ガス中の一
酸化炭素濃度は１００ｐｐｍ程度となるが、動作温度が
上昇したことにより一酸化炭素による発電特性低下を防
止することができた。

【００３１】なお、本発明は、特に燃料電池発電装置起
動時に大きな効果を示す。装置起動時、燃料電池発電部
８は低温度からの動作となる。そのため、浄化部７に空
気を多く供給し生成させる水素ガス中の一酸化炭素濃度
を低くする必要がある。しかし、装置の起動の進行に伴
い発熱し燃料電池発電部８の動作温度は上昇する。その
動作温度の上昇に伴い供給する空気量を減少させ浄化部
７で消費する水素量を減少させることで、発電効率を考
慮する動作を行うことを可能とするからである。

【００３２】また、浄化部７の構成および用いる触媒に
よりその一酸化炭素浄化性は相違する。従って、浄化部
７に供給する空気量およびその減少率は個別に設定する
必要がある。また、燃料電池発電部の動作温度の第１の
基準値は、固体高分子膜の耐熱温度および電極触媒の特
性に依存するものである。耐熱温度が高い固体高分子膜
を燃料電池発電部の電解質として用いた場合、あるい
は、電池電極にＰｔとＲｕ触媒を複合化した触媒を用い
た場合等には、水素ガス中の一酸化炭素濃度に対する許
容性は高くなる。例えば図３より、本実施の形態に示す
装置においても、燃料電池発電部を約１００℃で動作さ
せた場合、一酸化炭素の許容濃度は２０００ｐｐｍ程度
となる。浄化部７では、一酸化炭素の酸化に必要な空気
量の等倍程度の供給で一酸化炭素濃度を２０００ｐｐｍ
以下に低減することができる。従って、燃料電池発電部
の動作温度の第１の基準値についても、用いる燃料電池
発電部の構成あるいは使用条件に応じて設定する必要が
あることはいうまでもない。

【００３３】また、上記のように燃料電池発電部の一酸
化炭素の許容濃度を２０００ｐｐｍ程度とした場合、浄
化部への空気供給を停止する構成も可能となる。本実施
の形態において、変成部５の変成触媒体容量を約４倍と
し、その動作温度を２００℃程度とした場合、ＤＲＹガ
スベースで一酸化炭素を２０００ｐｐｍ程度まで低減で
きる。そこでその装置構成において、燃料電池発電部５
の動作温度の第２の基準値として８０℃、第３の基準値
として１００℃を設定し、電池温度測定部１１で検出し
た温度が第２の基準値の８０℃以下の場合、浄化部７に
供給する空気量を一酸化炭素の酸化に必要な空気量の４
倍導入する。燃料電池発電部での発電量の増加に伴い動
作温度が上昇し第２の基準値の８０℃以上、第３の基準
値の１００℃以下になった場合、供給する空気量を減少
させ一酸化炭素の酸化に必要な空気量の２倍とする。さ
らに、電池温度測定部１１で検出した温度が第３の基準
値の１００℃以上となった場合、浄化部７へ空気供給を
停止する制御を行った。上記制御により、動作温度が８
０℃以下の場合、浄化部７後の水素ガス中の一酸化炭素
濃度を２０ｐｐｍ以下にすることができ、一酸化炭素に
よる発電特性低下を防止する。動作温度が上昇し第２の
基準値の８０℃以上、第３の基準値の１００℃以下にな
った場合、浄化部７での水素消費を少なくする。動作温
度が第３の基準値の１００℃以上となった場合、浄化部
７での水素消費をゼロにすることができ、効果的に燃料
電池発電部８を動作させることを可能とした。

【００３４】すなわち、温度測定部１１の検出温度に所
定の第２の基準値および第３の基準値を設け、温度検出
部の検出温度が第２の基準値を下回る場合には一酸化炭
素除去部に空気を一定量供給し一酸化炭素を極力低減さ
せ、温度検出部の検出温度が第２の基準値を上回りかつ
第３の基準値を下回る場合には温度検出部の検出温度の
上昇に伴い空気の供給量を減少させ、温度検出部の検出
温度が第３の基準値を上回る場合には空気供給を停止す
るように酸化ガス制御部を作動させ制御することで、効
果的に燃料電池発電部を動作させることを可能とするも
のである。

【００３５】なお、温度測定部１１の検出温度の第２の
基準値および第３の基準値、浄化部７への空気供給量の
制御条件は、用いる燃料電池発電部、浄化部に固有する
もので、それら固有値に対応し、設定する必要がある。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、燃料電池
発電部の動作温度が低温度の場合、一酸化炭素濃度を低
減するため浄化部に一定量の空気を供給する制御を行
い、動作温度の上昇に伴い浄化部に供給する空気を低減
する制御を行うことにより、浄化部での水素消費量を燃
料電池発電部の動作状態に応じて低減できる。その結
果、燃料電池発電装置としての発電効率を向上させるこ
とができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の
構成図

【図２】浄化部の触媒体温度と浄化部出口ガス中の一酸
化炭素濃度の関係の一測定例を示す図

【図３】水素ガス中の一酸化濃度と発電特性を維持する
燃料電池発電部の動作温度の関係の一測定例を示す図

【符号の説明】

１改質部２加熱部３原料供給経路４水供給部５変成部６空気供給部７浄化部８燃料電池発電部９ブロアー１０熱回収部１１電池温度測定部１２酸化ガス制御部１３排水素ガス経路

───────────────────────────────────────────────────── 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） 4G040 EA02 EA03 EA06 EB31 EB32 EB43 5H026 AA06 CX05 5H027 AA06 BA01 BA17 BA20 DD06 KK21 KK46 MM01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも炭素および水素原子で構成さ
れる原料と水を反応させ水素ガスを生成する改質部と、
前記改質部からの水素ガス中の一酸化炭素と水を少なく
ともシフト反応、酸化反応またはメタン化反応させる一
酸化炭素除去部と、前記一酸化炭素除去部に酸化ガスを
供給する酸化ガス供給部と、前記一酸化炭素除去部から
の水素ガスを元に発電をおこなう燃料電池発電部と、前
記燃料電池発電部の動作温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の検出温度に基づいて前記酸化ガス供給
部からの酸化ガス供給量を制御する酸化ガス供給量制御
部を有する燃料電池発電装置。
【請求項２】前記温度検出部の検出温度が第１の基準
値を下回る場合には、前記一酸化炭素除去部に酸化ガス
を一定量供給し、前記温度検出部の検出温度が前記第１
の基準値を上回る場合には、前記温度検出部の検出温度
の上昇に伴い前記酸化ガスの供給量を減少するように前
記酸化ガス供給量制御部を作動させることを特徴とする
請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】前記温度検出部の検出温度が第２の基準
値を下回る場合には、前記一酸化炭素除去部に酸化ガス
を一定量供給し、前記温度検出部の検出温度が前記第２
の基準値を上回りかつ第３の基準値を下回る場合には前
記温度検出部の検出温度の上昇に伴い前記酸化ガスの供
給量を減少させ、前記温度検出部の検出温度が前記第３
の基準値を上回る場合には、前記酸化ガスの供給を停止
するように前記酸化ガス供給量制御部を作動させること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。