JP2003077504A - 固体高分子型燃料電池発電装置とその運転方法 - Google Patents
固体高分子型燃料電池発電装置とその運転方法Info
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- JP2003077504A JP2003077504A JP2001265161A JP2001265161A JP2003077504A JP 2003077504 A JP2003077504 A JP 2003077504A JP 2001265161 A JP2001265161 A JP 2001265161A JP 2001265161 A JP2001265161 A JP 2001265161A JP 2003077504 A JP2003077504 A JP 2003077504A
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- 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
Abstract
(57)【要約】
【課題】燃料ガス供給系のＣＯ除去器およびＣＯ変成器
の温度が安定して制御できるものとする。 【解決手段】ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３の冷却機
構に供給した冷却水を直接気水分離器７へと送って、エ
ゼクタ９に送る改質用蒸気を得るとともに、直接気水分
離器７のブロ─水を、循環ポンプ１８によって再びＣＯ
除去器４およびＣＯ変成器３の冷却機構へと循環させ
る。ＣＯ除去器４で得られた燃料ガスは、燃料ガス冷却
器１６において、電池冷却水循環系より分岐して得た冷
却水により冷却する。
の温度が安定して制御できるものとする。 【解決手段】ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３の冷却機
構に供給した冷却水を直接気水分離器７へと送って、エ
ゼクタ９に送る改質用蒸気を得るとともに、直接気水分
離器７のブロ─水を、循環ポンプ１８によって再びＣＯ
除去器４およびＣＯ変成器３の冷却機構へと循環させ
る。ＣＯ除去器４で得られた燃料ガスは、燃料ガス冷却
器１６において、電池冷却水循環系より分岐して得た冷
却水により冷却する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】固体高分子膜を電解質層とし
て用いた燃料電池本体に燃料ガスと空気を供給して電気
化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子型燃料
電池発電装置に関する。
て用いた燃料電池本体に燃料ガスと空気を供給して電気
化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子型燃料
電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２は、従来の固体高分子型燃料電池発
電装置の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフ
ロー図である。燃料電池本体５の空気極には、空気ブロ
ア１１で採り込まれた空気が供給され、燃料極には、外
部より供給された原燃料を脱硫、改質、ＣＯ除去して得
られる高水素濃度の燃料ガスが供給される。
電装置の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフ
ロー図である。燃料電池本体５の空気極には、空気ブロ
ア１１で採り込まれた空気が供給され、燃料極には、外
部より供給された原燃料を脱硫、改質、ＣＯ除去して得
られる高水素濃度の燃料ガスが供給される。
【０００３】すなわち、原燃料として外部より供給され
た都市ガスは、まず脱硫器１で脱硫され、つづいてエゼ
クタ９において気水分離器７から送られた改質用蒸気と
混合された後、改質器２へと送られる。なお、エゼクタ
９に送られる改質用蒸気の量は蒸気流量制御弁８により
制御される。エゼクタ９で多量の改質用蒸気を含んだ都
市ガスは、改質器２中の改質触媒層を通過することによ
って水素濃度の高い改質ガスへと改質される。なお、こ
の改質反応は吸熱反応であるため、ガスを燃焼させて改
質触媒層を高温に加熱する措置が採られる。改質器２で
得られた改質ガスには燃料電池本体５の運転にとって有
害なＣＯが１５％近く含まれているので、燃料ガスとし
て用いるためにはこのＣＯを除去する必要がある．した
がって、得られた改質ガスは、まずＣＯ変成器３へと送
られ、ＣＯをＨ2Ｏと反応させてＣＯ2 に変成するＣＯ
変成反応によって、ＣＯ濃度が１％以下の改質ガスへと
変成される。ＣＯ変成器３を出た改質ガスは、さらに、
反応空気流量制御弁１５を制御してＯ2 ／ＣＯ量論比が
３〜４程度となるように空気ブロア１１で採り込まれた
空気を付加したのち、ＣＯ除去器４へと送られる。この
ＣＯ除去器４でのＣＯ除去反応、すなわち、ＣＯをＯ2
と反応させてＣＯ2 にするＣＯ除去反応によって、改質
ガス中の残存ＣＯ濃度は 10 ppm 以下に抑えられる。こ
のようにして得られた、水素濃度が高く、ＣＯ濃度が微
量の改質ガスが、燃料ガスとして燃料電池本体５の燃料
極に供給される。なお、この燃料ガスの温度は、ＣＯ除
去器４へ供給される冷却水によって制御され、燃料極に
直接供給できるよう約 80 ℃に保持されている。燃料極
より排出される燃料極排ガスは、空気ブロア１１で採り
込まれた空気の一部とともに改質器２のバーナーへと送
られ、電池反応に寄与しなかった残存水素が燃焼され
て、吸熱反応である改質反応を促進するための改質触媒
層の加熱に使用される。
た都市ガスは、まず脱硫器１で脱硫され、つづいてエゼ
クタ９において気水分離器７から送られた改質用蒸気と
混合された後、改質器２へと送られる。なお、エゼクタ
９に送られる改質用蒸気の量は蒸気流量制御弁８により
制御される。エゼクタ９で多量の改質用蒸気を含んだ都
市ガスは、改質器２中の改質触媒層を通過することによ
って水素濃度の高い改質ガスへと改質される。なお、こ
の改質反応は吸熱反応であるため、ガスを燃焼させて改
質触媒層を高温に加熱する措置が採られる。改質器２で
得られた改質ガスには燃料電池本体５の運転にとって有
害なＣＯが１５％近く含まれているので、燃料ガスとし
て用いるためにはこのＣＯを除去する必要がある．した
がって、得られた改質ガスは、まずＣＯ変成器３へと送
られ、ＣＯをＨ2Ｏと反応させてＣＯ2 に変成するＣＯ
変成反応によって、ＣＯ濃度が１％以下の改質ガスへと
変成される。ＣＯ変成器３を出た改質ガスは、さらに、
反応空気流量制御弁１５を制御してＯ2 ／ＣＯ量論比が
３〜４程度となるように空気ブロア１１で採り込まれた
空気を付加したのち、ＣＯ除去器４へと送られる。この
ＣＯ除去器４でのＣＯ除去反応、すなわち、ＣＯをＯ2
と反応させてＣＯ2 にするＣＯ除去反応によって、改質
ガス中の残存ＣＯ濃度は 10 ppm 以下に抑えられる。こ
のようにして得られた、水素濃度が高く、ＣＯ濃度が微
量の改質ガスが、燃料ガスとして燃料電池本体５の燃料
極に供給される。なお、この燃料ガスの温度は、ＣＯ除
去器４へ供給される冷却水によって制御され、燃料極に
直接供給できるよう約 80 ℃に保持されている。燃料極
より排出される燃料極排ガスは、空気ブロア１１で採り
込まれた空気の一部とともに改質器２のバーナーへと送
られ、電池反応に寄与しなかった残存水素が燃焼され
て、吸熱反応である改質反応を促進するための改質触媒
層の加熱に使用される。
【０００４】また、燃料電池本体５での電池反応は発熱
反応であるので、純水タンク１０に貯えられた約 80 ℃
の純水を電池冷却水として用い、この電池冷却水を燃料
電池本体冷却水ポンプ１２により燃料電池本体５の冷却
機構へと循環供給することによって、燃料電池本体５を
一定運転温度に保持して運転している。また、燃料電池
本体冷却水ポンプ１２によって純水タンク１０より取出
された純水の一部は、改質用水供給ポンプ１３によって
ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３へと送られ、ＣＯ除去
反応およびＣＯ変成反応に伴う発熱の除去に使用されて
いる。なお、図２に示した系統では冷却水をＣＯ除去器
４とＣＯ変成器３に直列に供給しているが、冷却水をこ
れらの装置に並列に供給する系統とする場合もある。Ｃ
Ｏ除去器４とＣＯ変成器３の冷却に用いられた純水は、
蒸気発生器６を経たのち気水分離器７へと送られる。蒸
気発生器６は、気水分離器７からエゼクタ９へと供給さ
れる改質蒸気の量を確保するために備えられたもので、
ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３を通過した冷却水を、
改質器２のバーナーより排出される約 500℃の高温の燃
焼排ガスと熱交換させることによって多量の水蒸気を得
ている。蒸気発生器６より気水分離器７へと送られた多
量の気液二相流の一部は、気水分離器７において凝縮さ
れ、凝縮水として貯えられる。貯えられた凝縮水の一部
は、貯量が過大とならないように回収水ポンプ１４を駆
動してブロー水として取出される。取出されたブロー水
は、水処理装置１７において純化処理されたのち再び純
水タンク１０へと送られ、電池冷却水、あるいはＣＯ除
去器４およびＣＯ変成器３の冷却水として使用される。
反応であるので、純水タンク１０に貯えられた約 80 ℃
の純水を電池冷却水として用い、この電池冷却水を燃料
電池本体冷却水ポンプ１２により燃料電池本体５の冷却
機構へと循環供給することによって、燃料電池本体５を
一定運転温度に保持して運転している。また、燃料電池
本体冷却水ポンプ１２によって純水タンク１０より取出
された純水の一部は、改質用水供給ポンプ１３によって
ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３へと送られ、ＣＯ除去
反応およびＣＯ変成反応に伴う発熱の除去に使用されて
いる。なお、図２に示した系統では冷却水をＣＯ除去器
４とＣＯ変成器３に直列に供給しているが、冷却水をこ
れらの装置に並列に供給する系統とする場合もある。Ｃ
Ｏ除去器４とＣＯ変成器３の冷却に用いられた純水は、
蒸気発生器６を経たのち気水分離器７へと送られる。蒸
気発生器６は、気水分離器７からエゼクタ９へと供給さ
れる改質蒸気の量を確保するために備えられたもので、
ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３を通過した冷却水を、
改質器２のバーナーより排出される約 500℃の高温の燃
焼排ガスと熱交換させることによって多量の水蒸気を得
ている。蒸気発生器６より気水分離器７へと送られた多
量の気液二相流の一部は、気水分離器７において凝縮さ
れ、凝縮水として貯えられる。貯えられた凝縮水の一部
は、貯量が過大とならないように回収水ポンプ１４を駆
動してブロー水として取出される。取出されたブロー水
は、水処理装置１７において純化処理されたのち再び純
水タンク１０へと送られ、電池冷却水、あるいはＣＯ除
去器４およびＣＯ変成器３の冷却水として使用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の固体高分子型燃
料電池発電装置においては、上記のように、電池冷却水
系の純水タンク１０より取出された純水の一部を改質用
水供給ポンプ１３によってＣＯ除去器４およびＣＯ変成
器３へ送ってこれらの冷却に用い、さらに、ＣＯ除去器
４およびＣＯ変成器３を通過した冷却水を蒸気発生器６
を経由して気水分離器７へと送ることによって原燃料の
改質に用いる改質用蒸気を得ている。したがって、ＣＯ
除去器４およびＣＯ変成器３の冷却水量は、改質用蒸気
流量とブロー水量との和となっている。
料電池発電装置においては、上記のように、電池冷却水
系の純水タンク１０より取出された純水の一部を改質用
水供給ポンプ１３によってＣＯ除去器４およびＣＯ変成
器３へ送ってこれらの冷却に用い、さらに、ＣＯ除去器
４およびＣＯ変成器３を通過した冷却水を蒸気発生器６
を経由して気水分離器７へと送ることによって原燃料の
改質に用いる改質用蒸気を得ている。したがって、ＣＯ
除去器４およびＣＯ変成器３の冷却水量は、改質用蒸気
流量とブロー水量との和となっている。
【０００６】しかるに、ブロー水はその量が多ければ多
いほど回収したエネルギーを系外に持ち出すことになる
ので、燃料電池発電装置としては必要最小限とする必要
があり、一般に最小ブロー水量に抑えられている。この
ため、従来の燃料電池発電装置ではＣＯ除去器４および
ＣＯ変成器３の冷却水量が、改質用蒸気流量と最小ブロ
ー水量との和に制限される。したがって、ＣＯ除去器４
およびＣＯ変成器３の冷却水量は余裕に乏しく、燃料電
池発電装置の負荷変動時、あるいは制御の小さな乱れ等
によってＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３の発熱量に変
化が生じた際に十分な冷却水量の調整が行えず、冷却水
自体の温度が変動して、これらの反応器の温度制御が困
難になるという問題点があった。
いほど回収したエネルギーを系外に持ち出すことになる
ので、燃料電池発電装置としては必要最小限とする必要
があり、一般に最小ブロー水量に抑えられている。この
ため、従来の燃料電池発電装置ではＣＯ除去器４および
ＣＯ変成器３の冷却水量が、改質用蒸気流量と最小ブロ
ー水量との和に制限される。したがって、ＣＯ除去器４
およびＣＯ変成器３の冷却水量は余裕に乏しく、燃料電
池発電装置の負荷変動時、あるいは制御の小さな乱れ等
によってＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３の発熱量に変
化が生じた際に十分な冷却水量の調整が行えず、冷却水
自体の温度が変動して、これらの反応器の温度制御が困
難になるという問題点があった。
【０００７】また、従来の固体高分子型燃料電池発電装
置では、ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３を通過した冷
却水を蒸気発生器６へ送り、改質器２の燃焼室より排出
される燃焼排ガスと熱交換させて改質用蒸気を得ている
が、この構成の発電装置では、高価な蒸気発生器６が必
要であるという難点があり、また、燃焼排ガスの温度を
約 500℃の高温に維持する必要があるので、改質器２の
バーナー直下の断熱火炎温度は改質器２の構成材料の融
点（1400〜1500℃）に近い高温となり、長寿命の改質器
を得ることが困難であるという問題点がある。
置では、ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３を通過した冷
却水を蒸気発生器６へ送り、改質器２の燃焼室より排出
される燃焼排ガスと熱交換させて改質用蒸気を得ている
が、この構成の発電装置では、高価な蒸気発生器６が必
要であるという難点があり、また、燃焼排ガスの温度を
約 500℃の高温に維持する必要があるので、改質器２の
バーナー直下の断熱火炎温度は改質器２の構成材料の融
点（1400〜1500℃）に近い高温となり、長寿命の改質器
を得ることが困難であるという問題点がある。
【０００８】本発明の目的は、上記のごとき従来技術の
問題点を解消し、安価で、かつ燃料ガス供給系に組み込
まれるＣＯ除去器およびＣＯ変成器の温度が容易に制御
され、かつ改質器の高温化が抑制されて長時間にわたり
安定して運転できる固体高分子型燃料電池発電装置、な
らびにその運転方法を提供することにある。
問題点を解消し、安価で、かつ燃料ガス供給系に組み込
まれるＣＯ除去器およびＣＯ変成器の温度が容易に制御
され、かつ改質器の高温化が抑制されて長時間にわたり
安定して運転できる固体高分子型燃料電池発電装置、な
らびにその運転方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、 （１）固体高分子型燃料電池発電装置の燃料電池本体に
燃料ガスを供給する系統に、原燃料に気水分離器より送
られた改質用蒸気を混合して導入し、水素濃度の高いガ
スへと改質する改質器と、改質器で得られたガスを導入
し、含まれるＣＯをＨ2 Ｏと反応させてＣＯ濃度の低い
ガスへと変成させるＣＯ変成器と、ＣＯ変成器で得られ
たガスに外部より投入した空気を混合して導入し、Ｏ2
と反応させてＣＯを除去するＣＯ除去器と、ＣＯ除去器
で得られたガスを冷却水で冷却して燃料電池本体に供給
する燃料ガスを得る燃料ガス冷却器を備え、かつ、燃料
ガス冷却器で燃料ガスを冷却した冷却水を、ＣＯ変成器
およびＣＯ除去器の冷却機構へ送ってＣＯ変成器および
ＣＯ除去器の冷却に用い、さらにＣＯ変成器およびＣＯ
除去器の冷却機構より排出された冷却水を、改質用蒸気
を供給する気水分離器へ導入するとともに、気水分離器
のブロー水を、燃料ガス冷却器で燃料ガスを冷却した前
記の冷却水に混合してＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷
却機構へ循環供給するよう構成することとする。
めに、本発明においては、 （１）固体高分子型燃料電池発電装置の燃料電池本体に
燃料ガスを供給する系統に、原燃料に気水分離器より送
られた改質用蒸気を混合して導入し、水素濃度の高いガ
スへと改質する改質器と、改質器で得られたガスを導入
し、含まれるＣＯをＨ2 Ｏと反応させてＣＯ濃度の低い
ガスへと変成させるＣＯ変成器と、ＣＯ変成器で得られ
たガスに外部より投入した空気を混合して導入し、Ｏ2
と反応させてＣＯを除去するＣＯ除去器と、ＣＯ除去器
で得られたガスを冷却水で冷却して燃料電池本体に供給
する燃料ガスを得る燃料ガス冷却器を備え、かつ、燃料
ガス冷却器で燃料ガスを冷却した冷却水を、ＣＯ変成器
およびＣＯ除去器の冷却機構へ送ってＣＯ変成器および
ＣＯ除去器の冷却に用い、さらにＣＯ変成器およびＣＯ
除去器の冷却機構より排出された冷却水を、改質用蒸気
を供給する気水分離器へ導入するとともに、気水分離器
のブロー水を、燃料ガス冷却器で燃料ガスを冷却した前
記の冷却水に混合してＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷
却機構へ循環供給するよう構成することとする。
【００１０】（２）さらに、上記（１）において、燃料
ガス冷却器に供給する燃料ガス冷却用の冷却水を、燃料
電池本体の冷却機構に送られる電池冷却水循環系より分
岐して導入し、かつ、気水分離器のブロー水の一部を水
処理装置を経て電池冷却水循環系へ循環させるよう構成
することとする。 （３）また、上記（１）あるいは（２）の固体高分子型
燃料電池発電装置の運転に際しては、ＣＯ変成器で得ら
れたガスに外部から投入する空気量を、ＣＯ除去器に導
入されるガスのＯ2 ／ＣＯ量論比が８以上となるよう制
御して運転することとする。
ガス冷却器に供給する燃料ガス冷却用の冷却水を、燃料
電池本体の冷却機構に送られる電池冷却水循環系より分
岐して導入し、かつ、気水分離器のブロー水の一部を水
処理装置を経て電池冷却水循環系へ循環させるよう構成
することとする。 （３）また、上記（１）あるいは（２）の固体高分子型
燃料電池発電装置の運転に際しては、ＣＯ変成器で得ら
れたガスに外部から投入する空気量を、ＣＯ除去器に導
入されるガスのＯ2 ／ＣＯ量論比が８以上となるよう制
御して運転することとする。
【００１１】上記の（１）のごとく、ＣＯ変成器および
ＣＯ除去器の冷却に用いた冷却水を直接気水分離器に送
り、得られたブロー水を燃料ガス冷却器の冷却に用いた
冷却水に混合して再びＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷
却機構へ循環供給するよう構成すれば、ＣＯ変成器およ
びＣＯ除去器の冷却に多量の冷却水を供給することがで
きるので、これらの反応器の発熱量が変動しても一定温
度に安定して制御することが可能となる。また、ブロー
水が循環使用されることとなるので、従来のように外部
に熱エネルギーが持ち去られることがなく、熱効率の高
い運転が可能となる。
ＣＯ除去器の冷却に用いた冷却水を直接気水分離器に送
り、得られたブロー水を燃料ガス冷却器の冷却に用いた
冷却水に混合して再びＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷
却機構へ循環供給するよう構成すれば、ＣＯ変成器およ
びＣＯ除去器の冷却に多量の冷却水を供給することがで
きるので、これらの反応器の発熱量が変動しても一定温
度に安定して制御することが可能となる。また、ブロー
水が循環使用されることとなるので、従来のように外部
に熱エネルギーが持ち去られることがなく、熱効率の高
い運転が可能となる。
【００１２】また、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却
に用いた冷却水を直接気水分離器に送り、得られた水蒸
気を改質用蒸気として原燃料に混合し、改質器に導入し
て水素濃度の高いガスへと改質することとすれば、図２
に示した従来の装置で用いられていた蒸気発生器６が不
要となる。また、蒸気発生器６が無いので、従来例のよ
うに改質器２から蒸気発生器６へと高温の燃焼排ガスを
供給する必要がない。したがって、改質器２の運転温度
を低下させることができるので、改質器２の寿命の大幅
改善が可能となる。なお、上記の（１）のごとくとすれ
ば、従来例に比べてＣＯ変成器およびＣＯ除去器の温度
が高くなるので、燃料ガスを冷却する燃料ガス冷却器を
備える必要があるが、従来例で用いられていた蒸気発生
器６の最高使用温度が 500℃程度であったのに対して、
設置が必要となる燃料ガス冷却器の最高使用温度は 160
℃程度であり、燃料ガス冷却器のコストは蒸気発生器６
に比べて大幅に低減される。
に用いた冷却水を直接気水分離器に送り、得られた水蒸
気を改質用蒸気として原燃料に混合し、改質器に導入し
て水素濃度の高いガスへと改質することとすれば、図２
に示した従来の装置で用いられていた蒸気発生器６が不
要となる。また、蒸気発生器６が無いので、従来例のよ
うに改質器２から蒸気発生器６へと高温の燃焼排ガスを
供給する必要がない。したがって、改質器２の運転温度
を低下させることができるので、改質器２の寿命の大幅
改善が可能となる。なお、上記の（１）のごとくとすれ
ば、従来例に比べてＣＯ変成器およびＣＯ除去器の温度
が高くなるので、燃料ガスを冷却する燃料ガス冷却器を
備える必要があるが、従来例で用いられていた蒸気発生
器６の最高使用温度が 500℃程度であったのに対して、
設置が必要となる燃料ガス冷却器の最高使用温度は 160
℃程度であり、燃料ガス冷却器のコストは蒸気発生器６
に比べて大幅に低減される。
【００１３】50 ｋＷ固体高分子型燃料電池発電装置の
場合について例示すれば、Ｓ／Ｃ比、すなわち、改質用
蒸気のモル数と原燃料１モル中のＣのモル数との比が
2.5であれば、およそ 30 kg/h弱の改質用蒸気が必要と
なる。したがって、改質用蒸気系統の温度を 150℃（蒸
発潜熱；2.113 kJ/kg ）とすれば、この量の改質用蒸気
を得るに必要なエネルギーは 6.3×104 kJ/hとなる。こ
れに対して、出口ＣＯ濃度が１％（DRY ）のときのＣＯ
変成器の反応発熱量は 2.5×104 kJ/hであり、出口ＣＯ
濃度が 10 ppm （DRY ）のときのＣＯ除去器の反応発熱
量は、導入されるガスのＯ2 ／ＣＯ量論比が 8.0のと
き、 5.1×104 kJ/hである。経験的にこれらの反応器で
の反応発熱量の約 85 ％がこれらの冷却機構を流れる冷
却水に伝達され、約 15 ％が外部に放熱されるとして、
ＣＯ変成器およびＣＯ除去器を流れる冷却水に与えられ
る熱を算出すると、ＣＯ除去器に導入されるガスのＯ2
／ＣＯ量論比が 8.0のとき、 6.4×104 kJ/hとなり、上
記の改質用蒸気を得るに必要なエネルギーとほぼ同等に
なる。すなわち、上記の（１）のごとく構成した燃料電
池発電装置においては、ＣＯ除去器に導入されるガスの
Ｏ2 ／ＣＯ量論比が少なくとも 8.0となるように、外部
から空気を投入して運転すれば、所要の改質用蒸気量を
得るに必要な熱量が冷却水に加わり安定した運転ができ
ることとなる。仮に、Ｏ2 ／ＣＯ量論比が 8.0を下回る
とＣＯ除去器の反応発熱量が低下するので、改質用蒸気
量が不足して自立した運転の持続が困難となる。
場合について例示すれば、Ｓ／Ｃ比、すなわち、改質用
蒸気のモル数と原燃料１モル中のＣのモル数との比が
2.5であれば、およそ 30 kg/h弱の改質用蒸気が必要と
なる。したがって、改質用蒸気系統の温度を 150℃（蒸
発潜熱；2.113 kJ/kg ）とすれば、この量の改質用蒸気
を得るに必要なエネルギーは 6.3×104 kJ/hとなる。こ
れに対して、出口ＣＯ濃度が１％（DRY ）のときのＣＯ
変成器の反応発熱量は 2.5×104 kJ/hであり、出口ＣＯ
濃度が 10 ppm （DRY ）のときのＣＯ除去器の反応発熱
量は、導入されるガスのＯ2 ／ＣＯ量論比が 8.0のと
き、 5.1×104 kJ/hである。経験的にこれらの反応器で
の反応発熱量の約 85 ％がこれらの冷却機構を流れる冷
却水に伝達され、約 15 ％が外部に放熱されるとして、
ＣＯ変成器およびＣＯ除去器を流れる冷却水に与えられ
る熱を算出すると、ＣＯ除去器に導入されるガスのＯ2
／ＣＯ量論比が 8.0のとき、 6.4×104 kJ/hとなり、上
記の改質用蒸気を得るに必要なエネルギーとほぼ同等に
なる。すなわち、上記の（１）のごとく構成した燃料電
池発電装置においては、ＣＯ除去器に導入されるガスの
Ｏ2 ／ＣＯ量論比が少なくとも 8.0となるように、外部
から空気を投入して運転すれば、所要の改質用蒸気量を
得るに必要な熱量が冷却水に加わり安定した運転ができ
ることとなる。仮に、Ｏ2 ／ＣＯ量論比が 8.0を下回る
とＣＯ除去器の反応発熱量が低下するので、改質用蒸気
量が不足して自立した運転の持続が困難となる。
【００１４】なお、上記には 50 ｋＷ固体高分子型燃料
電池発電装置の場合について具体的数値を挙げて説明し
たが、装置の容量が変わっても、所要の改質用蒸気量、
ＣＯ変成器の反応発熱量、ＣＯ変成器の反応発熱量等の
諸熱量は、基本的に互いに比例して推移するものと見込
まれるので、他の容量の固体高分子型燃料電池発電装置
においても、ＣＯ除去器に導入されるガスのＯ2 ／ＣＯ
量論比が 8.0以上となるように設定することが必要条件
と見なされる。
電池発電装置の場合について具体的数値を挙げて説明し
たが、装置の容量が変わっても、所要の改質用蒸気量、
ＣＯ変成器の反応発熱量、ＣＯ変成器の反応発熱量等の
諸熱量は、基本的に互いに比例して推移するものと見込
まれるので、他の容量の固体高分子型燃料電池発電装置
においても、ＣＯ除去器に導入されるガスのＯ2 ／ＣＯ
量論比が 8.0以上となるように設定することが必要条件
と見なされる。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の固体高分子型燃
料電池発電装置の実施例の反応ガス系統と冷却水系統の
基本構成を示すフロー図である。本図において、図２の
従来例のフロー図に示した構成部品と同一機能を有する
構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略す
る。
料電池発電装置の実施例の反応ガス系統と冷却水系統の
基本構成を示すフロー図である。本図において、図２の
従来例のフロー図に示した構成部品と同一機能を有する
構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略す
る。
【００１６】本実施例の特徴は、ＣＯ除去器４で得られ
た燃料ガスを冷却水で冷却して燃料電池本体５に供給す
る燃料ガス冷却器１６が備えられていること、また、燃
料ガス冷却器１６で燃料ガスを冷却した冷却水が、ＣＯ
変成器３およびＣＯ除去器４の冷却機構へ送られ、ＣＯ
変成器３およびＣＯ除去器４を冷却したのち、改質用蒸
気を供給する気水分離器７へと直接導入され、さらにこ
の気水分離器７のブロー水が、循環ポンプ１８によっ
て、燃料ガス冷却器１６で燃料ガスを冷却した冷却水に
混合されてＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４の冷却機構
へ循環供給されるよう構成されている点にある。
た燃料ガスを冷却水で冷却して燃料電池本体５に供給す
る燃料ガス冷却器１６が備えられていること、また、燃
料ガス冷却器１６で燃料ガスを冷却した冷却水が、ＣＯ
変成器３およびＣＯ除去器４の冷却機構へ送られ、ＣＯ
変成器３およびＣＯ除去器４を冷却したのち、改質用蒸
気を供給する気水分離器７へと直接導入され、さらにこ
の気水分離器７のブロー水が、循環ポンプ１８によっ
て、燃料ガス冷却器１６で燃料ガスを冷却した冷却水に
混合されてＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４の冷却機構
へ循環供給されるよう構成されている点にある。
【００１７】なお、燃料ガス冷却器１６に流す冷却水を
補給するために、気水分離器７のブロー水の一部が、水
処理装置１７を経て純水タンク１０へと戻されている。
本構成では、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４を冷却す
る冷却水が閉ループを循環して流れるので、熱効率が良
く、かつ、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４の温度が安
定性よく制御される。また、燃料ガス冷却器１６を設置
しているが、従来例のごとき高温の蒸気発生器を用いて
いないので相対的にコストが低減する。また、従来例の
ごとく蒸気発生器加熱用に高温の燃焼排ガスを供給する
必要がなく、燃焼排ガス温度を約 100℃の低温に抑える
ことが可能となるので、改質器２の寿命が増大する。
補給するために、気水分離器７のブロー水の一部が、水
処理装置１７を経て純水タンク１０へと戻されている。
本構成では、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４を冷却す
る冷却水が閉ループを循環して流れるので、熱効率が良
く、かつ、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４の温度が安
定性よく制御される。また、燃料ガス冷却器１６を設置
しているが、従来例のごとき高温の蒸気発生器を用いて
いないので相対的にコストが低減する。また、従来例の
ごとく蒸気発生器加熱用に高温の燃焼排ガスを供給する
必要がなく、燃焼排ガス温度を約 100℃の低温に抑える
ことが可能となるので、改質器２の寿命が増大する。
【００１８】なお、本実施例では、ＣＯ変成器３および
ＣＯ除去器４を冷却する冷却水がＣＯ変成器３とＣＯ除
去器４を直列に流れるよう構成されているが、ＣＯ変成
器３とＣＯ除去器４を並列に流れる構成としても、同様
の効果が得られることは明らかである。
ＣＯ除去器４を冷却する冷却水がＣＯ変成器３とＣＯ除
去器４を直列に流れるよう構成されているが、ＣＯ変成
器３とＣＯ除去器４を並列に流れる構成としても、同様
の効果が得られることは明らかである。
【００１９】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、
（１）固体高分子型燃料電池発電装置を請求項１あるい
は２に記載のごとく構成することとしたので、燃料ガス
供給系に組み込まれるＣＯ除去器およびＣＯ変成器の温
度が容易に制御され、かつ改質器の高温化が抑制されて
長時間にわたり安定して運転でき、かつコストが低減さ
れる固体高分子型燃料電池発電装置が得られることとな
った。
は２に記載のごとく構成することとしたので、燃料ガス
供給系に組み込まれるＣＯ除去器およびＣＯ変成器の温
度が容易に制御され、かつ改質器の高温化が抑制されて
長時間にわたり安定して運転でき、かつコストが低減さ
れる固体高分子型燃料電池発電装置が得られることとな
った。
【００２０】（２）また、請求項３に記載のごとき運転
方法を用いれば上記の固体高分子型燃料電池発電装置が
適正かつ安定して運転できることとなる。
方法を用いれば上記の固体高分子型燃料電池発電装置が
適正かつ安定して運転できることとなる。
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池発電装置の実施
例の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー
図
例の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー
図
【図２】従来の固体高分子型燃料電池発電装置の反応ガ
ス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー図
ス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー図
１ 脱硫器
２ 改質器
３ ＣＯ変成器
４ ＣＯ除去器
５ 燃料電池本体
７ 気水分離器
８ 蒸気流量制御弁
９ エゼクタ
１０ 純水タンク
１１ 空気ブロア
１２ 燃料電池本体冷却水ポンプ
１３ 改質用水供給ポンプ
１５ 反応空気流量制御弁
１６ 燃料ガス冷却器
１７ 水処理装置
１８ 循環ポンプ
Claims (3)
- 【請求項１】燃料電池本体に燃料ガスを供給する系統
が、原燃料に気水分離器より送られた改質用蒸気を混合
して導入し、水素濃度の高いガスへと改質する改質器
と、改質器で得られたガスを導入し、含まれるＣＯをＨ
2Ｏと反応させてＣＯ濃度の低いガスへと変成させるＣ
Ｏ変成器と、ＣＯ変成器で得られたガスに外部より投入
した空気を混合して導入し、Ｏ2 と反応させてＣＯを除
去するＣＯ除去器と、ＣＯ除去器で得られたガスを冷却
水で冷却して燃料電池本体に供給する燃料ガスを得る燃
料ガス冷却器を備えてなり、 かつ、燃料ガス冷却器で燃料ガスを冷却した前記の冷却
水を、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却機構へ送って
ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却に用い、さらにＣＯ
変成器およびＣＯ除去器の冷却機構より排出された冷却
水を、改質用蒸気を供給する前記の気水分離器へ導入す
るとともに、気水分離器のブロー水を、燃料ガス冷却器
で燃料ガスを冷却した前記の冷却水に混合してＣＯ変成
器およびＣＯ除去器の冷却機構へ循環供給するよう構成
されている固体高分子型燃料電池発電装置。 - 【請求項２】請求項１に記載の固体高分子型燃料電池発
電装置において、燃料ガス冷却器に供給される燃料ガス
冷却用の前記の冷却水が、燃料電池本体の冷却機構に送
られる電池冷却水循環系より分岐して導入され、かつ、
前記の気水分離器のブロー水の一部が水処理装置を経て
電池冷却水循環系へ補給されるよう構成されていること
を特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。 - 【請求項３】前記のＣＯ変成器で得られたガスをＣＯ除
去器に導入する際、ＣＯ除去器に導入されるガスのＯ2
／ＣＯ量論比が８以上となるように外部より投入する空
気量を制御して運転することを特徴とする請求項１また
は２に記載の固体高分子型燃料電池発電装置の運転方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001265161A JP4273684B2 (ja) | 2001-09-03 | 2001-09-03 | 固体高分子型燃料電池発電装置とその運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001265161A JP4273684B2 (ja) | 2001-09-03 | 2001-09-03 | 固体高分子型燃料電池発電装置とその運転方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003077504A true JP2003077504A (ja) | 2003-03-14 |
| JP4273684B2 JP4273684B2 (ja) | 2009-06-03 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001265161A Expired - Fee Related JP4273684B2 (ja) | 2001-09-03 | 2001-09-03 | 固体高分子型燃料電池発電装置とその運転方法 |
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|---|---|
| JP (1) | JP4273684B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015103409A (ja) * | 2013-11-26 | 2015-06-04 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 燃料電池システム |
-
2001
- 2001-09-03 JP JP2001265161A patent/JP4273684B2/ja not_active Expired - Fee Related
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