JP2004235035A

JP2004235035A - 燃料電池発電装置とその運転方法

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Publication number: JP2004235035A
Application number: JP2003022602A
Authority: JP
Inventors: Masahito Senda; 仁人千田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: JP4003130B2

Abstract

【課題】高ＣＯ濃度改質ガスの燃料電池本体への拡散を防止し、かつ、メンテナンス性に優れて安価な燃料電池発電装置とその運転方法を提供する。
【解決手段】改質器３と、燃料電池本体１と、排水素供給ライン１９と、電池バイパス弁１０を有する改質ガスバイパスライン１８と、前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に接続した空気導入ライン１７と、この空気導入ラインに空気を送出する空気ブロワ１４と、発電開始前および開始後の前記空気導入ラインからの空気の導入の開始および停止の切り替えを行なう制御装置とを備えるものとし、発電開始前は、高濃度のＣＯを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように空気導入ライン１７から空気を導入し、発電開始以降は、空気の導入を停止して、燃料電池本体から排出される排水素を改質器用のバーナに供給する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系原燃料ガスを触媒により水素リッチな改質ガスに変換する改質器を備える燃料電池発電装置、特に、改質ガスバイパスラインを設けた固体高分子電解質型燃料電池とその運転方法に関する。
【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。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用されている（前記基本的システム構成は、例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
前記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４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り、特許文献１に開示されたものに対して、電池冷却水系機器や回収水機器等々を追加して、より詳細なシステム構成を示す。
【０００８】
図４において、模式的に示した燃料電池１は、燃料極１ａと空気極１ｂとを有する単位セルを複数個重ねる毎に、図示しない冷却管または冷却溝を有する冷却板１ｃ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３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】
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ（吸熱反応）
その後、この改質ガスは、ＣＯ変成器４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＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２（発熱反応）
その後、さらにＣＯ除去器５に供給され、図示しない選択酸化空気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１ａに供給される。
【００１２】
ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２（発熱反応）
上記の如く、改質器３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３の燃焼排ガスの顕熱，ＣＯ変成器４及びＣＯ除去器５の反応熱を利用するのが一般的である。そのため、電池冷却水循環ポンプ５４にて供給される改質用水を、ＣＯ変成器４，ＣＯ除去器５，水蒸気発生器２４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２５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２５から改質器３へ導入する構成としている。なお、図４においては、ＣＯ変成器４，ＣＯ除去器５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３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２４も昇温している。一方、ＣＯ変成器４とＣＯ除去器５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６により、燃焼用空気が導入される。なお、７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２７により、まず脱硫器２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３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４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５３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１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４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】
この場合、水蒸気を含むオフ空気と燃焼排ガスを、図４には図示しない充填層下部から上方に通流し、一方、上部から回収水冷却器３４で冷却された４０℃程度の回収水を散水して、充填層部分でガスと冷却水を直接接触させながら、空気およびガス中の水蒸気分を凝縮・回収するものであり、簡単な構造で、回収効率が向上する利点がある。
【００２０】
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（水道水）が供給され、この市水は水処理装置で純化される。
【００２１】
ところで、上記のような燃料電池発電装置を起動，発電する際には、改質器，燃料電池本体等の温度を昇温させた後に発電を開始する必要がある。改質系の昇温，定常運転に至る概略の工程を以下に列記する。
▲１▼都市ガス等の原燃料をバーナで燃焼させて得る熱と、電気ヒータの通電により得る熱で、改質系機器の触媒を昇温。
▲２▼改質系触媒が一定値まで昇温した後、改質系触媒に都市ガス等の原燃料を導入し、生成された改質ガス（水素リッチガス）を改質器のバーナで燃焼させつつ、各改質系触媒を発電に好適なガスが生成される温度まで昇温させる。このとき、生成される改質ガスは、燃料電池本体をバイパスする。
▲３▼各改質系触媒，燃料電池本体等の温度が発電に適切である事を検知した後、改質ガスを燃料電池本体に導入し、発電状態に至る。
【００２２】
なお、前記▲２▼において、燃料電池本体をバイパスして改質ガスを改質器バーナに導入する理由は、この時点における改質ガスが、昇温途上の改質系機器を通過しているため、十分にガス組成が整っておらず、ガス中に燃料電池触媒の被毒物質である一酸化炭素ＣＯが数％から数千ｐｐｍの高い濃度で含まれているためである。ＣＯは、数１０ｐｐｍオーダーでも燃料電池本体の白金触媒に作用して発電性能を著しく阻害するため、通常は燃料電池本体をバイパスする改質ガスバイパスラインを設け、昇温途上の改質系機器を通過した高ＣＯ濃度改質ガスが、燃料電池本体に導入されないよう設計されている。
【００２３】
しかしながら、前記改質ガスバイパスラインは、改質器のバーナ部もしくはその手前で、燃料電池本体の燃料極出口配管と合流しているため、燃料極出口配管を通じて、高ＣＯ濃度ガスが拡散し、この拡散ガスが電池本体に到達した場合には、発電性能への悪影響が避けられない。そこで、この拡散を防止するために、燃料電池本体の燃料極出口配管において、燃料電池本体の燃料極出口と改質ガスバイパスライン合流部までの間に、窒素等の不活性ガスを導入するシステム、もしくは、電磁弁で閉止するシステムとするのがよいと考え、本願発明者等は、これらのシステムを従来から検討してきた。
【００２４】
図２は、前記不活性ガスを導入する従来の燃料電池発電装置の概略システム構成の一例を示し、図３は、前記電磁弁で閉止する概略システム構成の一例を示す。図２および図３において、図４における構成部材と同一機能を有する部材には同一番号を付して、その詳細説明を省略する。また、図４における冷却水系機器や回収水系機器等々、その一部を簡略化して示す。
【００２５】
図２において、図４と異なる構成部材は、電池バイパス弁１０、改質ガスバイパスライン１８、ＣＯ拡散防止窒素導入ライン１３、窒素用電磁弁１１である。
【００２６】
同図において、ＣＯ拡散防止窒素導入ライン１３は、図示のように、排水素供給ライン１９に接続され、燃料電池本体１から排出される排水素は、排水素供給ライン１９により改質器３用のバーナに供給されるように構成されている。
【００２７】
上記構成において、改質系機器昇温途上に生成される高ＣＯ濃度改質ガスは、電池バイパス弁１０により燃料電池本体１をバイパスし、改質器３のバーナ部へ導入されるが、ＣＯ拡散防止窒素導入ライン１３から窒素等の不活性ガスを微量パージすることにより、燃料電池本体１の燃料極１ａ出口部に、高ＣＯ濃度改質ガスがガス拡散するのを防止することができる。
【００２８】
次に、図３について述べる。図３において図２と相違点するは、図２におけるＣＯ拡散防止窒素導入ライン１３に代えて、排水素供給ライン１９上に、図示のようにＣＯ拡散防止弁１５および安全弁１６を設けた点である。図３においては、ＣＯ拡散防止弁１５（電磁弁）により、燃料電池本体１の燃料極１ａ出口部に、高ＣＯ濃度改質ガスがガス拡散するのを防止することができる。なお、前記安全弁１６は、ＣＯ拡散防止弁１５の動作不良時等に燃料電池本体に過大圧が加わる恐れがあるので、燃料電池本体１の保全および発電装置保安確保の観点から設けられる。
【００２９】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２８８号公報（第２−３頁、図２）
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２や図３に示すような、これまで検討された従来の燃料電池発電装置においては、下記のような問題点があった。
【００３１】
前記の従来装置の場合には、高ＣＯ濃度改質ガスの拡散から燃料電池本体を保護するために、不活性ガス設備の設置や高価な安全弁の設置が必要であり、また、これらはいずれも定期的なメンテナンスが必要となる。そのため、今後に燃料電池発電装置の普及が見込まれる家庭や小規模店舗等の燃料電池発電装置の設置を想定した場合、前記不活性ガス設備や安全弁の設置およびメンテナンスに関わるコストならびにメンテナンス体制の整備が問題となり、これらが、普及を阻害する要因となる恐れがある。
【００３２】
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、高ＣＯ濃度改質ガスの燃料電池本体への拡散を防止し、かつ、メンテナンス性に優れて安価な燃料電池発電装置とその運転方法を提供することにある。
【００３３】
【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触媒により水素リッチな改質ガスに変換する改質器と、前記改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応に基づいて発電する燃料電池本体と、燃料電池本体から排出される排水素を前記改質器用のバーナに供給する排水素供給ラインと、発電開始前において高濃度のＣＯを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように燃料電池本体をバイパスさせるために設けた改質ガスバイパスラインとを有し、前記バイパスした改質ガスを前記排水素供給ラインに導入する構成を備えた燃料電池発電装置の運転方法において、
前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に、空気導入ラインを接続し、
発電開始前は、前記高濃度のＣＯを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように前記空気導入ラインから空気を導入し、発電開始以降は、前記空気の導入を停止して、燃料電池本体から排出される排水素を前記改質器用のバーナに供給する（請求項１の発明）。
【００３４】
また、上記方法を実施するための装置としては、下記請求項２ないし５の発明が好ましい。即ち、請求項１に記載の運転方法を実施するための燃料電池発電装置であって、前記改質器と、燃料電池本体と、排水素供給ラインと、電池バイパス弁を有する改質ガスバイパスラインと、前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に接続した空気導入ラインと、この空気導入ラインに空気を送出する空気ブロワと、発電開始前および開始後の前記空気導入ラインからの空気の導入の開始および停止の切り替えを行なう制御装置とを備えるものとする（請求項２の発明）。
【００３５】
上記のように、この発明においては、高ＣＯ濃度改質ガスの拡散から燃料電池本体を保護するために、発電開始前に、空気ブロワから送出される空気を導入することにより、発電システムをメンテナンス性に優れたものとし、また低コストとすることができる。
【００３６】
また前記請求項２の発明の実施態様としては、下記請求項３の発明が好ましい。即ち、請求項２に記載の燃料電池発電装置において、前記空気ブロワは、燃料電池発電装置に内蔵され、前記空気送出用として専用に設ける空気ブロワ以外の他目的用に設けた空気ブロワと兼用するものとする（請求項３の発明）。
【００３７】
さらに、前記請求項３に記載の燃料電池発電装置において、前記兼用する空気ブロワは、燃料電池本体用の反応空気ブロワ、改質器用の燃焼空気ブロワ、ＣＯ除去器用の選択酸化空気ブロワの内のいずれかとする（請求項４の発明）。これにより、装置が合理化され、より低コスト化が図れる。
【００３８】
さらにまた、前記請求項２ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置において、前記空気の導入の開始および停止の切り替えを行なう制御装置は、前記空気導入ライン上に設けた電磁弁を備えるものとする（請求項５の発明）。これにより、電磁弁の開閉制御により必要時のみ空気を送出するとともに、ブロワ側へ改質ガスが逆流する事を防止することができる。
【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、この発明に関わる実施例を示す概略システム系統図であり、図２と同じ機能を有する構成部材には同一番号を付して、その詳細説明を省略する。
【００４１】
図１と図２との相違点は、図１においては、排水素供給ライン１９上に、図２におけるＣＯ拡散防止用の窒素導入ライン１３および窒素用電磁弁１１に代えて、空気導入ライン１７および空気用電磁弁１２を設けた点である。
【００４２】
図１の構成によれば、高ＣＯ改質ガスが生じる発電前の改質系機器昇温工程の間は、空気ブロワ１４から空気を送出する事で、高ＣＯ改質ガスの燃料電池本体１へのガス拡散を防止することができる。また、空気導入ライン１７に電磁弁１２を設けることにより、必要時のみ空気を送出するとともに、空気ブロワ１４側へ改質ガスが逆流する事を防止する事が可能となる。
【００４３】
上記構成により、メンテナンスが必要である不活性ガスの設置、同じくメンテナンスが必要でかつ高価な安全弁の設置を実施することなく、安全で信頼性の高い燃料電池発電装置の提供が可能となる。なお、前記空気ブロワ１４は、燃料電池発電装置を構成する上で必須の他の空気ブロワ、すなわち燃焼空気ブロワ６，反応空気ブロワ７，図示しない選択酸化空気ブロワと兼用する事が可能であり、燃料電池発電装置に内蔵されている前記空気ブロワから送出される空気の一部を分岐して導入することにより、装置の合理化と低コスト化が図れる。
【００４４】
【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触媒により水素リッチな改質ガスに変換する改質器と、前記改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応に基づいて発電する燃料電池本体と、燃料電池本体から排出される排水素を前記改質器用のバーナに供給する排水素供給ラインと、発電開始前において高濃度のＣＯを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように燃料電池本体をバイパスさせるために設けた改質ガスバイパスラインとを有し、前記バイパスした改質ガスを前記排水素供給ラインに導入する構成を備えた燃料電池発電装置の運転方法において、前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に、空気導入ラインを接続し、発電開始前は、前記高濃度のＣＯを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように前記空気導入ラインから空気を導入し、発電開始以降は、前記空気の導入を停止して、燃料電池本体から排出される排水素を前記改質器用のバーナに供給することとし、
また、上記方法を実施するための装置として、前記改質器と、燃料電池本体と、排水素供給ラインと、電池バイパス弁を有する改質ガスバイパスラインと、前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に接続した空気導入ラインと、この空気導入ラインに空気を送出する空気ブロワと、発電開始前および開始後の前記空気導入ラインからの空気の導入の開始および停止の切り替えを行なう制御装置とを備えるものとしたので、
高ＣＯ濃度改質ガスの燃料電池本体への拡散を防止し、かつ、メンテナンス性に優れて安価な燃料電池発電装置とその運転方法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概略システム系統図
【図２】従来の燃料電池発電装置の一例を示す概略システム系統図
【図３】従来の異なる燃料電池発電装置の一例を示す概略システム系統図
【図４】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
【符号の説明】
１：燃料電池本体、３：改質器、４：ＣＯ変成器、５：ＣＯ除去器、６：燃焼空気ブロワ、７：反応空気ブロワ、１０：電池バイパス弁、１２：空気用電磁弁、１４：空気ブロワ、１７：空気導入ライン、１８：改質ガスバイパスライン、１９：排水素供給ライン。

Claims

炭化水素系原燃料ガスを触媒により水素リッチな改質ガスに変換する改質器と、前記改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応に基づいて発電する燃料電池本体と、燃料電池本体から排出される排水素を前記改質器用のバーナに供給する排水素供給ラインと、発電開始前において高濃度のＣＯを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように燃料電池本体をバイパスさせるために設けた改質ガスバイパスラインとを有し、前記バイパスした改質ガスを前記排水素供給ラインに導入する構成を備えた燃料電池発電装置の運転方法において、
前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に、空気導入ラインを接続し、
発電開始前は、前記高濃度のＣＯを含む改質ガスを燃料電池本体に導入しないように前記空気導入ラインから空気を導入し、発電開始以降は、前記空気の導入を停止して、燃料電池本体から排出される排水素を前記改質器用のバーナに供給することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
請求項１に記載の運転方法を実施するための燃料電池発電装置であって、前記改質器と、燃料電池本体と、排水素供給ラインと、電池バイパス弁を有する改質ガスバイパスラインと、前記排水素供給ライン上であって前記バイパスした改質ガスの導入部より燃料電池本体側に接続した空気導入ラインと、この空気導入ラインに空気を送出する空気ブロワと、発電開始前および開始後の前記空気導入ラインからの空気の導入の開始および停止の切り替えを行なう制御装置とを備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
請求項２に記載の燃料電池発電装置において、前記空気ブロワは、燃料電池発電装置に内蔵され、前記空気送出用として専用に設ける空気ブロワ以外の他目的用に設けた空気ブロワと兼用することを特徴とする燃料電池発電装置。
請求項３に記載の燃料電池発電装置において、前記兼用する空気ブロワは、燃料電池本体用の反応空気ブロワ、改質器用の燃焼空気ブロワ、ＣＯ除去器用の選択酸化空気ブロワの内のいずれかとすることを特徴とする燃料電池発電装置。
請求項２ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置において、前記空気の導入の開始および停止の切り替えを行なう制御装置は、前記空気導入ライン上に設けた電磁弁を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。