JP2003288933A

JP2003288933A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP2003288933A
Application number: JP2002091423A
Authority: JP
Inventors: Masahito Senda; 仁人千田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】太陽熱エネルギーを有効かつシステム上合理
的に利用して、従来装置のエネルギー効率の低下の問題
を解消し、効率の高い燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して
得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化
学反応に基づいて電気を発生する燃料電池１０と、燃料
改質器１１と、ＣＯ変成器１２と、ＣＯ除去器１３と、
改質用蒸気を発生する水蒸気発生器１４とを有する燃料
電池発電装置において、前記水蒸気発生器１４に導入さ
れる改質用水を予熱して昇温または蒸発させる太陽熱集
熱装置１を、前記ＣＯ除去器１３と水蒸気発生器１４と
の間に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、炭化水素系原燃
料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガス（空
気）との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電
池と、燃料改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器と、改
質用蒸気を発生する水蒸気発生器とを有する燃料電池発
電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電
池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって
異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を
電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低
いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電
池がよく知られている。

【０００３】この固体高分子電解質型燃料電池は、リン
酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス（都市ガス）
等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガ
ス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極およ
び空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発
電を行うものである。

【０００４】また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際し
ては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改
質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に行
なうには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があ
り、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補
給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であ
ることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純
物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例であ
る。

【０００５】一方、燃料電池の電気化学反応では発電生
成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気
改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴
い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道
水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水とし
て用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができる
ため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、こ
れらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とす
る方法が、通常採用されている。

【０００６】また、燃料電池の電気化学反応では反応に
伴って熱が発生し、この排熱エネルギーの一部は、貯湯
槽に温水として貯え、給湯もしくは暖房に供される。

【０００７】図３は、都市ガスを原燃料とする従来の固
体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図
である。

【０００８】図３において、模式的に示した燃料電池１
０は、燃料極１０ａと空気極１０ｂとを有する単位セル
を複数個重ねる毎に冷却管または冷却溝を有する図示し
ない冷却板を配設，積層することにより構成されてい
る。

【０００９】原燃料はまず改質用水蒸気とともに改質器
１１に供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素
に改質される。改質用の触媒としては、貴金属系触媒ま
たはニッケル系触媒が用いられる。

【００１０】CH₄＋H₂O→3H₂＋CO （吸熱反応）その後、この改質ガスは、ＣＯ変成器１２に供給され、
以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は１％程度
まで低減される。ＣＯ変成用触媒としては、貴金属系触
媒または銅−亜鉛系触媒が用いられる。

【００１１】CO＋H₂O→H₂＋CO₂ （発熱反応）その後、さらにＣＯ除去器１３に供給され、ブロアによ
って供給された空気によりＣＯを選択酸化する以下の反
応により、改質ガス中の一酸化炭素は10ppm程度まで低
減された後、燃料電池の燃料極１０ａに供給される。

【００１２】CO＋1/2O₂→CO₂ （発熱反応）上記の如く、改質器１１において改質反応を行う場合、
水蒸気を供給する必要があり、固体高分子型燃料電池発
電装置では、その熱源として改質器１１の燃焼排ガスの
顕熱，ＣＯ変成器１２及びＣＯ除去器１３の反応熱を利
用するのが一般的である。そのため、ポンプ５４にて供
給される改質用水を、ＣＯ変成器１２，ＣＯ除去器１
３，水蒸気発生器１４の各反応器を直列に順次流すため
の改質用水蒸気供給ライン１５を設け、前記各反応器か
ら熱を受けて水蒸気とし、この水蒸気と原燃料とを混合
して、改質用水蒸気供給ライン１５から改質器１１へ導
入する構成としている。なお、図３においては、ＣＯ変
成器１２，ＣＯ除去器１３への前記改質用水の通流ライ
ンを省略している。

【００１３】又、上記の各反応器は触媒による化学反応
を行うため、燃料電池発電装置の起動時には、適正な温
度に予め昇温する必要がある。各反応器の適正な温度は
以下のとおりである。改質器：500〜700℃、ＣＯ変成
器：200〜300℃、ＣＯ除去器：100〜250゜Cである。

【００１４】このため、改質器１１は、燃料電池の排水
素供給ライン１９から供給される水素を改質器内に設置
されているバーナで燃焼させることで、通常時は加熱さ
れているが、起動時には原燃料をバーナで燃焼させるこ
とにより昇温している。また、改質器の燃焼排ガスによ
り水蒸気発生器１４も昇温している。一方、ＣＯ変成器
１２とＣＯ除去器１３とは、それぞれが個々に備える図
示しない電気ヒータにより昇温している。前記バーナに
は、燃焼空気ブロア１８により、燃焼用空気が導入され
る。なお、１８ａは、燃料電池本体の空気極に反応用の
空気およびＣＯ除去器におけるＣＯ選択酸化用の空気を
供給するための反応空気ブロアである。

【００１５】また、都市ガスは、都市ガス昇圧ブロア１
７により、まず脱硫器１６へ導入され、都市ガス内に含
まれる硫黄成分が除去された後、改質器１１の触媒反応
器へ導入され、前記燃焼排ガスにより熱の供給を受けな
がら改質され、水素リッチな燃料ガスとなる。

【００１６】次に、図３における燃料電池の冷却水系機
器５０および回収水系機器３０について以下に述べる。
冷却水系機器５０は、電池冷却水冷却器５１と、カソー
ドオフガス冷却器５２と、燃焼排ガスの排ガス冷却器５
３と、純水タンク５５と、電池冷却水循環ポンプ５４、
その他配管等を含む。

【００１７】燃料電池１０は、前述のように約８０℃で
運転され、前記電池冷却水循環ポンプ５４によって、純
水タンク５５から通流される水によって冷却され、電池
冷却水冷却器５１によって除熱される。電池冷却水冷却
器５１には、図３には図示しない貯湯槽に接続される循
環水導出ライン５６から供給される、例えば約５０℃の
水が導入され、ここで電池冷却水を冷却した水は、その
後、カソードオフガス冷却器５２および燃焼排ガスの排
ガス冷却器５３を経由して、例えば約６０℃に昇温され
て、循環水導出ライン５７から前記貯湯槽に還流する。
前記純水タンク５５には、液面計が設けてあり、液面が
下限に到達した際には、後述する回収水が、水処理装置
３５を介して、間歇的に補給される。

【００１８】次に、回収水系機器３０について述べる。
回収水系機器３０は、回収水タンク３１と、回収水ポン
プ３３と、回収水冷却器３４等からなる。前記回収水タ
ンク３１の上部には、カソードオフガス冷却器５２およ
び燃焼排ガスの排ガス冷却器５３により冷却されたオフ
空気および燃焼排ガスが導入され、空気およびガス中の
含有水分を、上部に設けた散水装置から冷却水を散布す
ることにより凝縮して、回収水タンク３１の下部に回収
する。この回収水を、回収水冷却器３４により冷却し
て、前記散水装置に導入する。この散水装置の後段に
は、ラシヒリング等の充填層を備えた冷却水直接接触式
凝縮器を設ける場合もある。

【００１９】上記回収水は、前述のように、水処理装置
で純化され補給水として用いられる。なお、回収水タン
ク３１の下部にも液面計が設けられ、回収水タンク内の
水が不足した場合には、補給水として市水が供給され
る。

【００２０】ところで、上記図３に示す燃料電池発電装
置においては、一体型改質系機器２０として示すよう
に、少なくとも、改質器１１と蒸気発生器１４とは一体
構造をなし、場合によっては、ＣＯ変成器ないしＣＯ除
去器をも一体構造としたものが用いられる。

【００２１】図２は、本願出願人と同一出願人から出願
された特願２０００−３０９０７５号において開示され
た改質システムの構成の一例を示す。図２に示す燃料改
質器は、触媒層を中空円筒状に設けたものとし、かつこ
の触媒層の外側に、改質用蒸気を発生する水蒸気発生手
段を、前記触媒層の円筒軸と同心状に配設したものであ
る。なお、図２に示す例においては、ＣＯ変成器も同心
状に設けて一体化した例を示し、この種の構成について
は、種々の変形例が出願されている。

【００２２】図２に示す改質システムは、原燃料ガスを
水素濃度の高い改質ガスヘと改質する燃料改質手段の外
側に改質用水を加熱して改質用蒸気を発生する改質用蒸
気発生手段を備えた燃料改質器１２Ｂと、その外周に断
熱層４１を介して配されたＣＯ変成器１４Ａとから構成
されている。

【００２３】即ち、燃料改質器１２Ｂは、基本的に、内
側円筒、中間円筒および外側円筒よりなる三重円筒構造
である。内側円筒の内部の空間の下部にはバーナー１が
設置されており、燃料電池の燃料極より排出された水素
を含む燃料極排ガスが空気とともに導入され、燃焼され
る。燃焼ガスは、原燃料ガス加熱用の熱媒体として最内
部空間を下部より上部へと流れ、上端より排出される。

【００２４】この最内部空間の外側に隣接する内側円筒
と中間円筒とで形成される空間には、燃料改質用の触媒
６が充填されており、最内部空間を流れる燃焼ガスによ
り加熱されて所定の温度に保持される。原燃料ガスは上
部に設けられた導入口より触媒６の内部へと導かれ、下
部へ流れるに従つて加熱され、同時に水素濃度の高い改
質ガスヘと改質される。得られた高温の改質ガスは、下
端において中間円筒と外側円筒により形成される外側空
間へと導かれ、上方へと流れた後、燃料改質器１２Ｂよ
り排出される。

【００２５】燃料改質器１２Ｂの外側円筒の外周には、
改質用水を加熱して改質用蒸気を発生するための改質用
水配管７が螺旋状に巻回されており、内側の空間を流れ
る高温の改質ガスの熱を有効に利用して改質用蒸気を発
生している。得られた改質用蒸気は、燃料改質器１２Ｂ
より取出され、外部より送られる原燃料と混合されて改
質触媒層へと導かれる。改質用蒸気温度は、通常、２５
０℃である。なお、図２において、部番４２はＣＯ変成
触媒を示す。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のよう
な従来の燃料電池発電装置においては、エネルギー効率
上、下記のような問題があった。

【００２７】電力需要が増大し、燃料電池発電装置の負
荷が増大した際には、原燃料ガスおよび改質用水蒸気の
供給量が増大する。この場合において、改質用水蒸気の
発生量もしくは水蒸気の温度が所定値より低下すること
がある。その際、通常は、燃料改質器用のバーナに、原
燃料ガスを水蒸気発生用補助熱源として供給し、所謂、
原燃料ガスによる助燃が行なわれている。前記助燃は、
燃料電池発電装置のエネルギー効率を低下させる大きな
要因の一つであった。

【００２８】この発明は、上記問題点に鑑みてなされた
もので、この発明の課題は、自然の太陽熱エネルギーを
有効かつシステム上合理的に利用して、従来装置のエネ
ルギー効率の低下の問題を解消することにある。

【００２９】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、この発明においては、炭化水素系原燃料ガスを水
蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空
気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池
と、燃料改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器と、改質
用蒸気を発生する水蒸気発生器とを有する燃料電池発電
装置において、前記水蒸気発生器に導入される改質用水
を予熱して昇温または蒸発させる太陽熱集熱装置を、前
記ＣＯ除去器と水蒸気発生器との間に設けたものとする
（請求項１の発明）。

【００３０】上記によれば、ＣＯ除去器において予熱さ
れた改質用水を、さらに太陽熱集熱装置により昇温し、
太陽熱が良好に得られる際には蒸発させることにより、
水蒸気発生器におけ熱負荷を軽減し、ひいては従来装置
のエネルギー効率の低下の問題を解消することができ
る。特に、冷房による電力負荷が増大し、改質用水蒸気
供給量も増大する夏季において、太陽熱集熱量が増大す
るので、システム上のマッチングがよい。

【００３１】前記請求項１の発明の実施態様としては、
下記請求項２ないし４の発明が好ましい。即ち、請求項
１に記載の燃料電池発電装置において、前記水蒸気発生
器から燃料改質器に水蒸気を導入する改質用水蒸気供給
ライン上に設けた温度センサもしくは圧力センサと、こ
のセンサの計測値に基づき、計測値が所定の値に到達し
ない場合には、前記燃料改質器用のバーナに、前記原燃
料ガスを水蒸気発生用補助熱源として供給制御する制御
装置とを設ける（請求項２の発明）。上記によれば、太
陽熱集熱量が不足して、所定温度の蒸気が得られない場
合には、従来装置と同様に、助燃によりバックアップで
きる。

【００３２】また、前記請求項１または２に記載の燃料
電池発電装置において、前記太陽熱集熱装置は、太陽熱
集熱器とこの太陽熱集熱器により集めた熱を蓄える蓄熱
器とを有し、前記水蒸気発生器に導入される改質用水
は、前記蓄熱器に通流して昇温または蒸発させる構成と
する（請求項３の発明）。

【００３３】地上に到達する太陽エネルギー密度は、た
かだか１ｋＷ／ｍ²である。設計上、太陽熱集熱器の面
積を大とすれば、比例して多量の太陽エネルギーを集め
ることができる。しかしながら、雨天や曇天の場合に
は、太陽熱集熱器において、改質用水を有効な温度にま
で高めることはできない。この場合、設備コストは増大
するものの、蓄熱器を備えることにより、太陽熱集熱器
における集熱量の振幅が緩和できる。

【００３４】さらに、前記請求項１または２に記載の燃
料電池発電装置において、前記太陽熱集熱装置は、真空
ガラス管形集熱器とし、前記水蒸気発生器に導入される
改質用水は、この集熱器に通流して昇温または蒸発させ
る構成とする（請求項４の発明）。

【００３５】太陽熱集熱器としては、給湯・暖房（５０
℃レベル）用に用いられる平板形集熱器や、冷房用に、
１３０℃の高い温度の集熱を行なう真空ガラス管形集熱
器や、太陽熱発電に用いる反射鏡を備えた集光タイプの
集熱器等がある。本件発明においては、性能，コスト
上、真空ガラス管形集熱器が好ましい。

【００３６】

【発明の実施の形態】図面に基づき、本発明の実施例に
ついて以下にのべる。

【００３７】図１は、この発明に関わる実施例を示す系
統図であり、図３と同じ機能を有する部材には同一の番
号を付して説明を省略する。また、図１においては、説
明の便宜上、図３に示したシステム系統の内、水蒸気発
生器を含む改質系を主体として、一部追加変更して示
し、電池冷却水系や回収水系等の他の系統は一部省略し
て示す。

【００３８】図１の改質器１１においては、バーナ１１
ａと触媒層１１ｂとを明示し、さらに起動時および助燃
時の、バーナへの原燃料供給ライン１９ａを示す。ま
た、ＣＯ変成器１２およびＣＯ除去器１３においては、
それぞれ、昇温用の電気ヒータ１２ａおよび１２ｂを示
すが、実質的に図３と同一である。

【００３９】図１と図３とのシステム構成上の相違点
は、水蒸気発生器１４に導入される改質用水を予熱して
昇温または蒸発させる太陽熱集熱装置１を、ＣＯ除去器
１３と水蒸気発生器１４との間に設けた点と、水蒸気発
生器１４から燃料改質器１１に水蒸気を導入する改質用
水蒸気供給ライン１５上に、温度センサ（もしくは圧力
センサ）２を設け、このセンサの計測値に基づき、計測
値が所定の値（例えば、２５０℃）に到達しない場合に
は、燃料改質器用のバーナに、助燃用の原燃料ガスを供
給制御する制御装置４を設けた点である。なお、図１に
おいて、１９ａは助燃用の原燃料ガス供給ラインを示
し、３は原燃料ガス供給ライン上に設けた助燃ガス流量
制御弁を示す。

【００４０】図１に示す構成において、改質用水蒸気
は、ポンプ５４から供給された水が、ＣＯ変成器１２お
よびＣＯ除去器１３内の熱交換器を経由して予熱され、
さらに、太陽熱集熱装置１によって加熱され、水蒸気発
生器１４において、所望温度の水蒸気となる。温度セン
サ２の温度が、例えば２５０℃に低下した際には、助燃
ガス流量制御弁３の開度調節により、原燃料ガスを改質
器バーナ１１ａに導入して、助燃する。上記により、太
陽熱を有効に利用して、改質用水蒸気を効率よく発生す
ることができる。

【００４１】なお、前記燃料改質器は、前述の図２に示
すように、触媒層を中空円筒状に設けたものとし、かつ
この触媒層の外側に、改質用蒸気を発生する水蒸気発生
手段を、前記触媒層の円筒軸と同心状に配設する構成と
し、この水蒸気発生手段の前段に、太陽熱集熱装置によ
る加熱ラインを接続する構成とすることができる。

【００４２】

【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、炭化
水素系原燃料ガスを水蒸気改質して得られた燃料ガスと
酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電
気を発生する燃料電池と、燃料改質器と、ＣＯ変成器
と、ＣＯ除去器と、改質用蒸気を発生する水蒸気発生器
とを有する燃料電池発電装置において、前記水蒸気発生
器に導入される改質用水を予熱して昇温または蒸発させ
る太陽熱集熱装置を、前記ＣＯ除去器と水蒸気発生器と
の間に設けたものとしたので、太陽熱エネルギーを有効
かつシステム上合理的に利用して、従来装置のエネルギ
ー効率の低下の問題を解消し、効率の高い燃料電池発電
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の燃料電池発電装置の実施例に関わる
系統図

【図２】一体型改質システムの一例を示す構成断面図

【図３】従来の燃料電池発電装置の一例を示す系統図

【符号の説明】

１：太陽熱集熱装置、２：温度センサ（または圧力セン
サ）、３：助燃ガス開流量制御弁、４：制御装置、１
０：燃料電池、１１：改質器、１１ａ：バーナ、１１
ｂ：触媒層、１２：ＣＯ変成器、１３：ＣＯ除去器、１
４：水蒸気発生器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質して
得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化
学反応に基づいて電気を発生する燃料電池と、燃料改質
器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器と、改質用蒸気を発生
する水蒸気発生器とを有する燃料電池発電装置におい
て、前記水蒸気発生器に導入される改質用水を予熱して昇温
または蒸発させる太陽熱集熱装置を、前記ＣＯ除去器と
水蒸気発生器との間に設けたことを特徴とする燃料電池
発電装置。
【請求項２】請求項１に記載の燃料電池発電装置にお
いて、前記水蒸気発生器から燃料改質器に水蒸気を導入
する改質用水蒸気供給ライン上に設けた温度センサもし
くは圧力センサと、このセンサの計測値に基づき、計測
値が所定の値に到達しない場合には、前記燃料改質器用
のバーナに、前記原燃料ガスを水蒸気発生用補助熱源と
して供給制御する制御装置とを設けたことを特徴とする
燃料電池発電装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の燃料電池発電
装置において、前記太陽熱集熱装置は、太陽熱集熱器と
この太陽熱集熱器により集めた熱を蓄える蓄熱器とを有
し、前記水蒸気発生器に導入される改質用水は、前記蓄
熱器に通流して昇温または蒸発させる構成としたことを
特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項４】請求項１または２に記載の燃料電池発電
装置において、前記太陽熱集熱装置は、真空ガラス管形
集熱器とし、前記水蒸気発生器に導入される改質用水
は、この集熱器に通流して昇温または蒸発させる構成と
したことを特徴とする燃料電池発電装置。