JP2004199878A

JP2004199878A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP2004199878A
Application number: JP2002363409A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Hasegawa; 雅一長谷川
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】回収水に含まれるメタノールの存在下でのバクテリア増殖による目詰まり等の問題を解消し、ひいては、メンテナンスコストならびに運転コストの低減を図った燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質器２と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池５とを備えた燃料電池発電装置において、前記燃料電池の上流に設けられ、燃料ガスを冷却して燃料ガス中の水分を凝縮させる改質ガス気水分離器４と、この改質ガス気水分離器４において分離された凝縮水（回収水２１）を系外へ排出する排水手段を備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池発電装置、特に、消化ガスを原燃料として水蒸気改質した燃料ガスを利用する燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置は、燃料の有する化学エネルギーを、機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。
【０００３】
以下に、燃料電池で起きる電気化学反応を表す式を示す。（１）はアノード側に於ける反応、（２）はカソード側に於ける反応を表し、燃料電池全体では（３）式に表す反応が進行する。
【０００４】
H₂→2H+＋2e- （１）
1/2O₂＋2H+＋2e-→H₂O （２）
H₂＋1/2O₂→H₂O （３）
燃料電池は、使用する電解質の種類により分類されるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等では、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化剤ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。そこで通常これらの燃料電池では、空気を酸化剤ガスとして用い、天然ガスや都市ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して生成した水素リッチなガスを燃料ガスとして用いている。
【０００５】
そのため、この様な燃料電池を備える燃料電池発電装置においては、改質器および一酸化炭素変成器が設けられており、この改質器および一酸化炭素変成器において原燃料の改質を行ない燃料ガスを生成している。下記の式（４）は、改質器におけるメタンの改質反応について示す。
【０００６】
CH₄＋H₂O→3H₂＋CO （+206.14 KJ/mol:吸熱反応）（４）
上記式（４）に示されるとおり、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、メタンに水蒸気を添加したうえで、燃料電池からの燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスにより、粒状改質触媒を６００〜７００℃に保つことにより、水素に富む改質ガスを生成する。
【０００７】
改質器を出たこの改質ガスは、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために一酸化炭素変成器に供給され、ここで一酸化炭素は１％以下に低減され、リン酸形燃料電池(PAFC)であれば、このガスを燃料電池へ導入して発電を行なうことができる。下記式（５）は、一酸化炭素変成器に於ける一酸化炭素の変成反応について示す。
【０００８】
CO＋H₂O→H₂＋CO₂ （-41.17 KJ/mol:発熱反応）（５）
式（５）に示されるとおり、一酸化炭素の変成反応は発熱反応であるため、変成反応温度である１６０〜２５０℃に保つためには冷却が必要となる。
【０００９】
図４は、従来のリン酸型燃料電池発電装置の概略システム構成の一例を示す。
【００１０】
図４において、燃料電池５は、模式的に示され、図示しないリン酸電解質層を挟持する燃料極５ａと空気極５ｂと、これらからなる単位セルの複数個を重ねる毎に配設される冷却管を有する冷却板５ｃとから構成される。
【００１１】
一方、燃料改質器２は、原燃料供給系３９を経て供給される天然ガス等の原燃料ガスを、水蒸気分離器６で分離されて水蒸気供給系２２を経て供給される水蒸気とともに、改質触媒下にて、バーナでの後述するオフガスの燃焼による燃焼熱により加熱して、水素に富むガスに改質して改質ガスを生成する。
【００１２】
燃料改質器２で生成された上記改質ガスは、ＣＯ変成器３ａを有する改質ガス供給系３１を経由して燃料電池５の燃料極５ａに供給され、一方、燃料極５ａから電池反応に寄与しない水素を含むオフガスが、オフガス供給系３２を経て燃料改質器２のバーナに燃料として供給される。
【００１３】
また、燃料改質器２のバーナへは、燃焼空気供給用のブロア３３が接続されており、燃料改質器２から出た燃焼排ガスは、燃焼排ガス系４５により水回収用凝縮器４１へと送られ、水回収後、排出される。
【００１４】
また、燃料電池５には、空気極５ｂに空気を供給する反応空気ブロア９を備えた空気供給系３７と、電池反応後の空気を前記水回収用凝縮器４１へ供給する空気排出系２８とが接続されている。
【００１５】
燃料電池５の冷却板５ｃの冷却管には、燃料電池５の発電時に冷却水を循環するため、水蒸気分離器６、冷却水循環ポンプ２４および燃料電池冷却水廃熱回収用熱交換器２３を備えた冷却水循環系７が、接続されている。冷却水循環系７は、冷却水調節弁２５を備え、必要に応じて廃熱回収用熱交換器２３への冷却水の流通を調節できるようにしている。
【００１６】
前記水蒸気分離器６では、燃料電池５の冷却管から排出された水と蒸気との二相流となった冷却水を、水蒸気と冷却水とに分離する。ここで分離された水蒸気は、前記燃料改質器２に向かう原燃料と混入するように、前記水蒸気供給系２２を経て、送出される。その際、元圧の低い原燃料との混合を行うために、エジェクタ６ａを使用している。このエジェクタ６ａは、蒸気を駆動流体とするとともに、原燃料を被駆動流体とする。原燃料供給系３９は、一般に、脱硫器３５を備える。
【００１７】
前記水回収用凝縮器４１には、前述のように、燃焼排ガス系４５，空気排出系２８が接続され、この水回収用凝縮器４１には、生成水等回収タンク４４を有する凝集水回収系４２が接続されている。
【００１８】
前記回収水は、脱炭酸塔４３で空気接触させて脱炭酸処理をした後に、補給水ポンプ４６によって、イオン交換式水処理装置１５に導入して、純水化した後に、給水ポンプ１６により水蒸気分離器６へ還流供給され、原燃料の水蒸気改質に必要な水として利用される。
【００１９】
水処理装置１５は吸着速度の関係から、通水速度は一定量が必要であり、そのため、水処理装置に水が循環して流れる閉回路を設けて、常時一定流量を水処理装置に通水可能として、所定のＳＶ値（空間速度１／ｈ）を維持するのが一般的である。この場合、図４に示すように、水処理装置１５は処理水の再循環用配管４８を備え、水処理された水の内、一部は給水ポンプ１６によって水蒸気分離器６に供給され、残りの純水は、再循環用配管４８を経由して再び水処理装置１５に戻される。
【００２０】
ところで近年、汚泥や生ごみ等からメタン発酵処理により得られる消化ガス（またはバイオガス）を原燃料として水蒸気改質した燃料ガスを利用する燃料電池発電装置が、環境問題や省エネルギの観点から注目されるようになった。
【００２１】
従来の天然ガスや都市ガス等を原燃料とするりん酸型燃料電池発電装置の場合には、原燃料中に窒素やアンモニアが含まれていないので問題はないが、前記消化ガスの場合には、常時数％の窒素と数十ｐｐｍのアンモニアを含み、アンモニアによる電池の一次被毒により、電池の特性が低下するという問題点があった。
【００２２】
原燃料にアンモニアを含まず窒素のみを含む場合であっても、改質された水素との反応、下記（６）式により、アンモニアが生成され、燃料電池セルの性能に悪影響をもたらす。
【００２３】
N₂＋3H₂→2NH₃ （６）
上記アンモニアによる電池の一次被毒の問題を解消するためのりん酸型燃料電池発電装置は、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の装置は、「原燃料予熱器と、脱硫器と、水蒸気分離器と、原料予熱器と、改質器と、ＣＯ変成器と、燃料電池とを備えたりん酸型燃料電池発電設備において、前記燃料電池の上流に設けられ、前記ＣＯ変成器から供給される前記燃料ガス中に含まれているアンモニアを除去する冷却熱交換器をさらに備えるもの」である。
【００２４】
また、特許文献１には、「汚泥消化ガスのように窒素、アンモニアを含んだ原燃料を供給し、改質器でアンモニアがｐｐｍオーダで生成した場合においても、冷却熱交換器を用いることで、燃料ガス中のアンモニアを１ｐｐｍ以下まで除去でき、アンモニアを除去した燃料ガスを電池燃料極に供給することが可能である。また、冷却熱交換器で生成しアンモニアが溶解した凝縮水は、システム回収水と共に水処理装置で高純度の純水に再生される」旨、記載され、上記構成を開示した図が、特許文献１の図９に記載されている。
【００２５】
図３は、上記構成を採用するリン酸型燃料電池発電装置の模式的システム構成の一例を示す。図３において、前記図４に示した構成部材と同一機能を有する構成部材には同一番号（２，５〜７，９，１５，１６）を付して、その詳細説明を省略する。
【００２６】
図３において、１は原燃料ガス、３は脱硫器とＣＯ変成器とを一体化した装置、８は電池冷却水循環ポンプを示し、図３では電池スタック５として示す燃料電池の運転機能は、前記図４の場合と同様である。また、図４で説明した改質器における燃焼排ガスおよび燃料電池の排空気中の水分を回収する系統も、実質的に同様であり、この系統は、図３においては、１１の排ガス冷却器、１０の凝縮水タンク等で示される。
【００２７】
さらに、水処理装置１５の周辺系統も実質的に同様であるが、図３においては、水処理装置１５の前段に設けたフィルタ１４，回収水ポンプ１２，冷却器１３等を示し、また、インバータ（ＩＮＶ）１７への冷却水の回路を示している。また、凝縮水タンク１０に対する凝縮水不足時の燃料電池補給水（水道水）１８の導入ラインも示し、このライン上には活性炭フィルタ１４ａを設けた構成を示している。上記構成は、追加部材の記載はあるものの、基本的機能は、実質的に図４と同様である。
【００２８】
図３において図４と異なる点は、図３においては、改質ガス気水分離器４を設けた点で、この改質ガス気水分離器４は、前記特許文献１に記載されたアンモニアを除去するための熱交換器に相応し、この熱交換器で気水分離しアンモニアが溶解した回収水２１は、前記燃焼排ガスおよび燃料電池の排空気中の凝縮水と共に水処理装置で高純度の純水に再生される。
【００２９】
【特許文献１】
特開２００２−２５５９６号公報（第１，３，８頁、図９）
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記図３に示した燃料電池発電装置によれば、アンモニアによる電池の一次被毒の問題は解消するものの、新たに下記のような問題があることが判明した。
【００３１】
前記改質ガス気水分離器４で気水分離しアンモニアを溶解した回収水２１中には、一酸化炭素と水素とから、下記（７）式により生成したメタノール（CH₃OH）が含まれる。
【００３２】
CO＋2H₂→CH₃OH （７）
前述のように、改質ガス中のＣＯは、ＣＯ変成器においてＣＯ₂に変成されるが、一部のＣＯが残留して、上記（７）式の反応により、燃料電池上流においてメタノールを生成する場合と、ＣＯ変成器に到達する前に生成したメタノールが、そのまま、ＣＯ変成器を経由して、燃料電池上流に到達する場合とがある。
【００３３】
上記メタノールを含む水は、バクテリアが存在した場合、メタノールの存在下で増殖する。特に、前記図３において、水処理装置１５の前段に設けたフィルタ１４の部分は、水の流速が遅くかつ比較的バクテリア増殖に好適な温度環境にあるため、バクテリア増殖に伴う目詰まりが発生し易く、フィルタ交換のメンテナンス頻度が増大する問題があり、装置の安定した継続運転が阻害される。
【００３４】
この発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、回収水に含まれるメタノールの存在下でのバクテリア増殖による目詰まり等の問題を解消し、ひいては、メンテナンスコストならびに運転コストの低減を図った燃料電池発電装置を提供することにある。
【００３５】
【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、この発明は、炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、前記燃料電池の上流に設けられ、前記燃料ガスを冷却して燃料ガス中の水分を凝縮させる改質ガス気水分離器と、この改質ガス気水分離器において分離された凝縮水を系外へ排出する排水手段とを備えるものとする（請求項１の発明）。
【００３６】
また、請求項１の発明の実施態様としては下記請求項２の発明が好ましい。即ち、請求項１に記載の装置において、前記燃料電池は、その排熱を系外へ排出する排熱処理設備を備え、前記排水手段は、前記系外へ排出する凝縮水を、前記排熱処理設備用の水冷式冷却塔への補給水として供給する構成を備えるものとする。
【００３７】
上記構成によれば、メタノールを含む回収水は系外に排出されるので、メタノール存在下でのバクテリア増殖による目詰まり等の問題が解消できる。また、前記請求項２の発明によれば、系外に排出される水は、冷却塔への補給水として活用できるので、その分ランニングコストが低減できる。なお、冷却塔において発生したバクテリアは、流速の早い環境下にあるので、バクテリアが局所に滞留して目詰まりを発生するような問題はない。
【００３８】
前記発明の適用は、特に、原燃料として、汚泥や生ごみ等からメタン発酵処理により得られる消化ガスを利用する燃料電池発電装置（請求項３の発明）において効果的である。
【００３９】
【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。
【００４０】
図１は、請求項１の発明に係る実施例の燃料電池発電装置の概略構成を示す。図３と同じ機能を有する部材には同一番号を付して詳細説明を省略する。図１と図３との相違点は、図１においては、改質ガス気水分離器４において分離された回収水２１を系外へ排出するラインを備える点である。
【００４１】
次に図２の実施例について述べる。図２は、請求項２の発明に係る実施例の燃料電池発電装置の概略構成を示す。図１と図２との相違点は、図２においては、改質ガス気水分離器４において分離された回収水２１を、排熱処理設備冷却塔１９への補給水として供給するように構成した点である。
【００４２】
図２においては、排熱処理設備を図示せず冷却塔１９のみを示したが、前記排熱処理設備は、例えば、前記図４において、２３で示した廃熱回収用熱交換器の冷却水の系統に使用される。廃熱回収用熱交換器で加熱された温水は、給湯として利用される場合もあるが、給湯として利用されない場合には、前記排熱処理設備冷却塔１９において排熱する。
【００４３】
また、上記のようなポジションで冷却塔を利用するケース以外に、高温度レベルの燃料電池冷却水を温水焚き吸収式冷温水機の熱源として利用するシステムのケースがある。この場合には、前記温水焚き吸収式冷温水機の冷却用水の冷却装置として、冷却塔が利用される。いずれにせよ、図２の実施例によれば、冷却塔への補給水として、メタノールを含む回収水が有効利用できる。
【００４４】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明の燃料電池発電装置は、燃料電池の上流に設けられ、前記燃料ガスを冷却して燃料ガス中の水分を凝縮させる改質ガス気水分離器と、この改質ガス気水分離器において分離された凝縮水を系外へ排出する排水手段を備えるものとし、
また、前記燃料電池は、その排熱を系外へ排出する排熱処理設備を備え、前記排水手段は、前記系外へ排出する凝縮水を、前記排熱処理設備用の水冷式冷却塔への補給水として供給する構成を備えるものとしたので、
回収水に含まれるメタノールの存在下でのバクテリア増殖による目詰まり等の従来装置の問題を解消し、ひいては、メンテナンスコストならびに運転コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に関わる燃料電池発電装置の概略構成図
【図２】この発明の図１とは異なる実施例に関わる燃料電池発電装置の概略構成図
【図３】従来の燃料電池発電装置の概略構成図
【図４】従来の図３とは異なる燃料電池発電装置の概略構成図
【符号の説明】
１：原燃料ガス、２：改質器、３：脱硫器／ＣＯ変成器、４：改質ガス気水分離器、５：電池スタック、６：水蒸気分離器、１０：凝縮水タンク、１１：排ガス冷却器、１４：フィルタ、１５：水処理装置、１９：排熱処理設備冷却塔、２１：回収水。

Claims

炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、
前記燃料電池の上流に設けられ、前記燃料ガスを冷却して燃料ガス中の水分を凝縮させる改質ガス気水分離器と、この改質ガス気水分離器において分離された凝縮水を系外へ排出する排水手段とを備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
請求項１に記載の装置において、前記燃料電池は、その排熱を系外へ排出する排熱処理設備を備え、前記排水手段は、前記系外へ排出する凝縮水を、前記排熱処理設備用の水冷式冷却塔への補給水として供給する構成を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
請求項１または２に記載の装置において、前記原燃料は、汚泥や生ごみ等からメタン発酵処理により得られる消化ガスとすることを特徴とする燃料電池発電装置。