JP2004238267A

JP2004238267A - 水素発生装置、燃料電池発電システム、及び水素発生装置の運転方法

Info

Publication number: JP2004238267A
Application number: JP2003030596A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Yagi; 哲也八木; Tatsunori Okada; 達典岡田; Toshio Shinoki; 俊雄篠木; Mitsuaki Nakada; 光昭中田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】水素発生装置又は燃料電池内の圧力上昇を防ぎ、水素発生装置又は燃料電池の損傷を防ぐことができる水素発生装置、燃料電池発電システム、及び水素発生装置の運転方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る水素発生装置は、常温で液体状態にある燃料又は水を供給する供給部３５と、供給部３５に接続され供給部３５から供給される燃料又は水に基づいて水素を生成する水素生成部３１と、水素生成部３１に接続され水素生成部３１で生成された水素を排出する排出管３７ａと、供給部３５に接続され内部に存在する液体を放出する放出管４０ｂと、運転停止時に放出管４０ｂから内部に存在する液体が放出されるよう制御する制御部３９とを備えている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を生成する水素発生装置、水素発生装置を備えた燃料電池発電システム、及び水素発生装置の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムは、水素と酸素を反応させて電気を発生させるもので、主に、水素と酸素の反応により電気を発生する燃料電池、燃料電池に水素を供給する水素発生装置、燃料電池に酸素を供給する酸化剤供給装置で構成される。
【０００３】
また、水素発生装置は、燃料ガスと水蒸気を反応させて水素を発生させるもので、従来の水素発生装置は、触媒を有する改質部と、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等炭化水素系物質の原料からなる燃料ガスを改質部に供給するガス供給部と、水蒸気を改質部に供給する水蒸気供給部と、水素発生装置内に溜まった凝縮水を外部に排出する排出部とで構成されている。なお、凝縮水は、運転停止に伴う温度下降により水素発生装置内の水蒸気が凝縮することで水素発生装置内に溜まるものである。
【０００４】
このような水素発生装置の運転開始時には、まず、排出部から凝縮水を外部に排出した後、改質部の触媒が所定温度になるまで加熱し、その後、改質部に燃料ガス及び水蒸気を供給することでこれらを反応させて水素を発生する。なお、水素発生装置内の改質部における燃料ガスと水蒸気との反応は触媒が低温では起こらないため、触媒はある程度熱した状態にする必要がある。
【０００５】
水素発生装置に内に凝縮水が溜まったままで触媒を加熱すると、触媒のみならずこの凝縮水も合わせて加熱されることになり、触媒を所定温度にするのに時間がかかるが、先に凝縮水を排除した後加熱することで、凝縮水を加熱することなく触媒のみを加熱することができ、触媒を加熱する時間を短縮化でき、ひいては起動に要する時間を短縮できるようになっている。（特許文献１参照）
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１９９７０２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水素発生装置は、上記のようになされていたので、運転開始時の触媒の加熱に対する処理は施されているものの、運転停止時には、水素発生装置へ供給した常温で液体である原料や水が水素発生装置の上流部、即ち、原料や水を供給する部位に残留することになる。
【０００８】
運転停止時にはまだ水素生成部の温度は高温に維持されているので、上流部に残留した原料や水、或いはこの上流部から水素生成部側へ移動した原料や水は、水素生成部の温度によって気化、蒸発し、体積膨張を引き起こす。そのため、この体積膨張によって水素発生装置の圧力が上昇し、水素発生装置或いは水素発生装置に接続されている燃料電池を損傷させるという問題点があった。
【０００９】
又、水素発生装置では一般に原料や水の供給を止めることでその運転を停止させるため、水素生成部では、原料や水の供給がなくなることで一時的に温度が運転時よりも上昇する。そのため、運転時に気化、蒸発する可能性の少ない部位であっても運転停止時には気化、蒸発することもあり、この体積膨張により水素発生装置或いは水素発生装置に接続されている燃料電池を損傷させるという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、水素発生装置又は燃料電池内の圧力上昇を防ぎ、水素発生装置又は燃料電池の損傷を防ぐことができる水素発生装置、燃料電池発電システム、及び水素発生装置の運転方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる水素発生装置は、常温で液体状態にある燃料又は水を供給する供給部と、供給部に接続され供給部から供給される燃料又は水に基づいて水素を生成する水素生成部と、水素生成部に接続され水素生成部で生成された水素を排出する排出管と、供給部に接続され内部に存在する液体を放出する放出管と、運転停止時に放出管から内部に存在する液体が放出されるよう制御する制御部とを備えたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの実施の形態１による燃料電池発電システムの概略を示す概略構成図である。図１に示すように、燃料電池発電システム１は、主に、水素と酸素の反応により電気を発生させる燃料電池２、水素を発生し水素を燃料電池２に供給する水素発生装置３、燃料電池２に酸素を供給する酸化剤供給装置４から構成される。
【００１３】
燃料電池２は、一般に使用されているものを用いれば良く、例えば、図１に示すように、交換膜２１を燃料電池燃料極２２と燃料電池空気極２３とで挟み、さらに、水素供給用溝を有するセパレータ２４と酸素供給用溝を有するセパレータ２５とでこれらを挟んでセルを構成し、セルに残存したガスを排出するガス排出部を有するものを用いればよい。
【００１４】
なお、図１に示すように、酸化剤供給装置４から酸化剤ガス供給管を介してセルの燃料電池空気極２３に酸素が供給され、水素発生装置３の排出管に連通して配置された水素供給管を介してセルの燃料電池燃料極２４に水素が供給される。又、ガス排出部における燃料極側の排出口は燃料極気水分離器２６に、空気極側の排出口は空気極気水分離器２７に接続されている。
【００１５】
図２は図１に示した水素発生装置３の概略を示す概略図である。図２に示すように、水素発生装置３は、主に、ルテニウムやニッケル等を用いた改質触媒を充填した改質部３１、銅等を用いた変成触媒を充填した変成部３２、ルテニウム等を浄化触媒として充填したＣＯ浄化部３３、水素生成部（改質部３１、変成部３２、ＣＯ浄化部３３）に天然ガス（都市ガス）やＬＰＧ等の炭化水素系物質を供給する原料供給部３４、水を供給する水供給部３５、水供給部３５からの水を加熱して水蒸気にする水蒸気発生部３６、水素生成部で生成した水素を含んだ燃料ガスを燃料電池２へ供給する燃料排出部３７、浄化部３３へ空気を供給する浄化空気供給部３８、水素発生装置３の運転等を制御する制御器３９で構成されている。
【００１６】
原料供給部３４は燃料が供給される配管３４ａとその配管３４ａに設けられ燃料供給を制御する開閉弁（原料供給弁）３４ｂとからなり、水供給部３５は水が供給される配管３５ａとその配管３５ａに設けられ水供給を制御する開閉弁（水供給弁）３５ｂとからなっている。さらに、燃料排出部３７は燃料を排出する排出管３７ａとその排出管３７ａに設けられ燃料電池２への燃料ガス（水素）の供給を制御する開閉弁（燃料排出弁）３７ｂとで構成されている。
【００１７】
それに加えて、水素発生装置３には運転停止時に燃料又は水を放出させるための放出部４０が設けられており、この放出部４０は水供給部３５、詳細には、水供給部３５の配管３５ａに接続され、燃料又は水を放出する配管４０ａとその配管４０ａに設けられ水の放出を制御する開閉弁（放出弁）４０ｂとで構成されている。
【００１８】
次に動作について説明する。
燃料電池発電システム１を運転させるには、水素発生装置３で水素を主成分とする燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料電池燃料極２２へ供給するともに、酸化剤供給装置４で生成される酸化剤ガス（空気）を燃料電池空気極２３へ供給し、燃料電池２で水素を主成分とする燃料と酸化剤ガス（空気）とを反応させて電気を発生させる。なお、反応後の燃料ガスは燃料極気水分離器２６で、酸化剤ガスは空気極気水分離器２７で水を分離する。
【００１９】
また、水素発生装置３で水素を主成分とする燃料ガスを生成するには、制御器３９による制御により放出弁４０ｂを閉じ、その後、改質部３１で原料と水蒸気とを混合させて燃料ガスを生成する。具体的には、燃料供給部３４より天然ガスなどの原料を改質部３１に供給する一方、水供給部３５より供給された水を水蒸気発生部３６を通して水蒸気にし、この水蒸気を改質部３１に供給すればよい。
【００２０】
改質部３１で混合された原料と水蒸気とは水素を主成分とする燃料ガスに変換され、変換された燃料ガスは、変成部３２でＣＯ濃度が約１％前後になるまで低下させられた後、さらに浄化部３３でＣＯ濃度が燃料電池の許容値である数十ｐｐｍ以下になるまで低下させられる。なお、浄化部３３では、浄化空気供給部３８より供給される空気との反応によりＣＯ濃度の低減がなされる。このようにしてＣＯ濃度が低減した、水素を主成分とする燃料は燃料排出部３７を通して燃料電池２の燃料極２２へ供給される。
【００２１】
一方、燃料電池発電システム１の運転を停止するには、制御器３９の制御により、原料供給弁３４ｂ、水供給弁３５ｂ、燃料排出弁３７ｂを閉め、水素発生装置３への原料及び水の供給並びに燃料電池２への燃料ガスの供給を止める。さらに、制御器３９の制御により、放出弁４０ｂを開け、水素発生装置３内の水分等の液体、特に、水素発生装置３の上流部に位置する水供給部３５付近の液体である水、さらには水蒸気発生部３６付近に残っている液体である水分を水素発生装置３外部に放出する。
【００２２】
図１に示した燃料電池発電システムにおいて、例えば、容器容量が２．５リットル（Ｌ）の条件で実験を行った結果、放出部より約２ｇの水が放出された。水が蒸発するとその体積は数千倍になるため、放出された水２ｇが水素発生装置に残存していたとすると、水素発生装置の容積が数リットルの場合には、約１ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力に相当する圧力上昇が生じることになる。よって、この実施の形態の燃料電池発電システムでは従来のものに比しこの圧力（約１ｋｇｆ／ｃｍ^２）分の上昇を防止できたことになる。
【００２３】
また、水素発生装置３内の液体又は水分を除去するには、上記実施の形態のように、放出弁４０ｂを除く弁を閉じることで水素発生装置３内をほぼ密封状態にし、その内圧を利用して水等の液体の放出を行うことが好ましいが、燃料排出弁３７ｂは特に閉じず、原料供給弁３４ｂ、水供給弁３５ｂのみを閉じるようにしてもよい。水素発生装置３においては運転停止時にはまだ水素生成部の温度は高温に維持されているので、その内圧は高く、燃料排出弁３７ｂが開いていても充分に内部の液体を放出部４０を介して外部に放出することが可能である。
【００２４】
この実施の形態１では、供給管に接続された放出管と、運転停止時に上記放出管から水等の液体が放出されるよう制御する制御部とを備えているので、運転停止後に残留する水等の液体を放出することでき、水素発生装置、燃料電池の圧力の上昇を防ぐことができる。その結果、水素発生装置、燃料電池の損傷を防ぐことができる。
【００２５】
また、運転動作中の水素発生装置内は、一般に数百ｇｆ／ｃｍ^２の圧力になっているため、運転停止時に、水素発生装置において、放出弁を除く他の弁を閉じて水素発生装置をほぼ密封状態にし、水素発生装置内の圧力を用いて水等の液体を放出するようにすることで、短時間で確実に水等の液体を放出することができる。
【００２６】
実施の形態２．
実施の形態１では、水素発生装置の燃料排出弁を閉じることによって水素発生装置をほぼ密閉状態にしているが、この実施の形態２の燃料電池発電システムでは、水素発生装置の燃料排出弁は閉じず、その代わりに燃料電池のガス排出部に設けた弁を閉じることによって水素発生装置をほぼ密封状態にするものである。なお、その他は実施の形態１と同様である。
【００２７】
図３はこの実施の形態２による燃料電池発電システムの概略を示す概略構成図である。図３に示すように、ガス排出部である燃料極側の排出管に開閉弁２８ａを、空気極側の排出管に開閉弁２８ｂを設けている。なお、その他は図１に示した燃料電池発電システムと同様である。
【００２８】
燃料電池発電システム１の運転を停止する時には、実施の形態１の場合と同様、制御器３９により、原料供給弁３４ｂ、水供給弁３５ｂ閉め、それに加えて、燃料電池２のガス排出部に設けた開閉弁２８ａ、２８ｂを閉める。このときには実施の形態１と同様、放出弁４０ｂは開けるものとする。なお、開閉弁２８ａ、２８ｂの制御は制御器２９で行っても、又、他の制御器を設けて制御させてもよい。
【００２９】
ここでは、空気極側の排出管にも開閉弁２８ｂを設けるようにしているが、一般に、燃料電池セルの交換膜を介してガスが漏れる割合は少ないので、空気極側には開閉弁を設けず、燃料極側にのみ開閉弁を設けるようにしても同様の効果が得られる。
【００３０】
この実施の形態２では、水素発生装置内の圧力により放出管から水等の液体が放出されるよう、制御部が運転停止時に水素発生装置の供給管（原料供給管、水供給管）及び燃料電池のガス排出部の開閉弁を閉じ、放出管の開口弁を開けるよう制御しているので、実施の形態１と同様、運転停止時に残留する水等の液体を放出することでき、水素発生装置、燃料電池の圧力の上昇を防ぐことができる。その結果、水素発生装置、燃料電池の損傷を防ぐことができる。また、水素発生装置内の圧力を用いて、水等の液体を短時間で確実に外部に放出することができる。
【００３１】
実施の形態３．
実施の形態１、２では、天然ガス（都市ガス）、ＬＰＧ等の炭化水素系物質と水蒸気（水）とを反応させて水素を生成しているが、この実施の形態３は、常温では液体状態にある原料と水蒸気（水）とを反応させて水素（水素を主成分とする燃料ガス）を生成する水素発生装置に関するもので、その水素発生装置の運転停止時に、内部に液体（原料）が残留しないよう、内部の液体を放出する放出部を原料供給部に設けたものである。なお、その他は実施の形態１、２と同様である。
【００３２】
図４はこの実施の形態３の水素発生装置の概略を示す概略図である。図４に示すように、この実施の形態３の水素発生装置３は、図２に示した水素発生装置に加えて放出部４１を設けたもので、放出部４１は、原料供給部３４の配管３４ａに連通する配管４１ａと、この配管４１ａに設けられた開閉弁４１ｂとから構成される。なお、開閉弁４１ｂの開閉は制御器３９で制御されるようになっている。
【００３３】
この実施の形態では、原料としてメタノール、灯油、軽油、ガソリンなど常温では液体状態にあるものを用い、これらを気化したガスを原料供給部３４の配管３４ａを介して水素生成部に供給する。
【００３４】
燃料電池発電システム１の運転を停止する時には、実施の形態１での動作に加え、制御器３９の制御により放出弁４１ｂを開け、水素発生装置３内の液体、特に、水素発生装置３の上流部に位置する燃料供給部３４付近の液体（燃料ガスが液化したもの）を水素発生装置３外部に放出するようにする。
【００３５】
この実施の形態３では、常温で液体である燃料を水素発生装置に供給し、水素発生装置の原料供給部に開閉弁を有する放出部を設けているので、運転停止時に放出部を介して液体に戻った燃料を外部に放出することができる。そのため、運転停止時に液体状態に戻った燃料がさらに蒸発することによる水素発生装置内の圧力上昇を防止することができ、圧力上昇による損傷を防止することができる。
【００３６】
また、この実施の形態では、水蒸気と反応させる水蒸気改質のものを説明しているが、水蒸気改質ばかりでなく、水素発生装置へ液体を添加する方法であれば、炭酸ガス改質のように、水を別に添加する場合においても同様に適用することができる。
【００３７】
実施の形態４．
この実施の形態４は、実施の形態１〜３の水素発生装置における放出部の下流部を水封するようにしたものである。
【００３８】
図５はこの実施の形態４の水素発生装置の概略を示す概略図である。図４に示すように、この実施の形態４の水素発生装置３は、図２に示した水素発生装置に加え、水等の液体を収納した水封容器５０を設けたもので、放出部４０における配管４０ａの下流側の先端をこの水封容器５０の水の中につけ水封したものである。なお、その他は図２に示した水素発生装置と同様である。
【００３９】
このようにすることにより、水供給部３５内の水を放出した後に、水素発生装置３内の他のガスも放出され、水素発生装置３内の圧力が低下した場合に水素発生装置３内への大気の進入を防ぐことができ、水素発生装置３内に充填されている触媒の劣化を防ぐことができる。
【００４０】
また、放出部４０の下流を燃料電池燃料極２２の出口に配置される気水分離器２６内に配置すると、水、可燃性ガスの処理を合わせてすることができるため、簡素な構成にすることができる。
【００４１】
なお、ここでは図２に示した水素発生装置における放出部の下流部を水封する例を示したが、図４に示した水素発生装置における放出部の下流部を水封してよいことは言うまでもない。
【００４２】
実施の形態５．
この実施の形態５は、例えば、放出部にタイマ回路を設け、放出弁の開閉をタイマ回路により一定時間、開けることにより、水または液体燃料を放出させるものである。一定時間の規定は、水素発生装置の上流に残留する水量、放出部の圧力損失等より内部の液体燃料または水を全て放出する時間を基にして決めればよい。なお、その他は実施の形態１〜４と同様である。
【００４３】
このようにタイマにより放出弁の開閉を制御することで、水素発生装置内の水または液体原料を確実に放出し、さらに水素発生装置内の圧力が低下しすぎるのを防止することができ、水素発生装置内への大気の進入を防ぐことができる。その結果、触媒の劣化を防ぐことができる。
【００４４】
実施の形態６．
実施の形態５では放出弁の開閉をタイマ回路にて動作させているが、この実施の形態６では、水素発生装置内の圧力を計測し、放出弁を開けた後に水素発生装置内の圧力が一定値以上低下したときに放出弁を閉じるようにしたものである。なお、その他は実施の形態５と同様であり、その効果も実施の形態５と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
上記各実施の形態では、制御器を水素発生装置に設けるようにしているが、これは特に限定するものではなく、燃料電池発電システム全体を制御する制御器を設け、水素発生装置内の制御もこの制御器により制御するようにしてもよい。又、開閉弁の制御を制御器により行うのではなく、一部（全部）を人手によって行うようにしてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明にかかる水素発生装置は、常温で液体状態にある燃料又は水を供給する供給部と、上記供給部に接続され上記供給部から供給される燃料又は水に基づいて水素を生成する水素生成部と、上記水素生成部に接続され上記水素生成部で生成された水素を排出する排出管と、上記供給部に接続され内部に存在する液体を放出する放出管と、運転停止時に上記放出管から内部に存在する液体が放出されるよう制御する制御部とを備えているので、水素発生装置内の圧力上昇を防ぐことができる。その結果、水素発生装置の損傷を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムの概略を示す概略構成図である。
【図２】図１に示した水素発生装置３の概略を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態２による燃料電池発電システムの概略を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施の形態３の水素発生装置の概略を示す概略図である。
【図５】本発明の実施の形態４の水素発生装置の概略を示す概略図である。
【符号の説明】
１燃料電池発電システム２燃料電池
３水素発生装置４酸化剤供給装置
２１交換膜２２燃料電池燃料極
２３燃料電池空気極２４、２５セパレータ
２６燃料極気水分離器２７空気極気水分離器
２８ａ、２８ｂ開閉弁３１改質部
３２変成部３３ＣＯ浄化部
３４原料供給部３４ａ配管
３４ｂ開閉弁（原料供給弁）３５水供給部
３５ａ配管３５ｂ開閉弁（水供給弁）
３６水蒸気発生部３７燃料排出部
３７ａ排出管３７ｂ開閉弁（燃料排出弁）
３８浄化空気供給部３９制御器
４０、４１放出部４０ａ、４１ａ配管
４０ｂ、４１ｂ開閉弁（放出弁）５０水封容器

Claims

常温で液体状態にある燃料又は水を供給する供給部と、上記供給部に接続され上記供給部から供給される燃料又は水に基づいて水素を生成する水素生成部と、上記水素生成部に接続され上記水素生成部で生成された水素を排出する排出管と、上記供給部に接続され内部に存在する液体を放出する放出管と、運転停止時に上記放出管から内部に存在する液体が放出されるよう制御する制御部とを備えたことを特徴とする水素発生装置。
上記供給部、上記排出管、及び上記放出管には各々開閉弁が設けられており、上記水素生成部の圧力により上記放出管から上記液体が放出されるよう、上記制御部は運転停止時に上記供給部及び上記排出管の開閉弁を閉じ、上記放出管の開閉弁を開けるよう制御することを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
常温で液体状態にある燃料又は水を供給する供給部、上記供給部に接続され上記供給部から供給される燃料又は水に基づいて水素を生成する水素生成部、上記水素生成部に接続され上記水素生成部で生成された水素を排出する排出管、及び上記供給部に接続され内部に存在する液体を放出する放出管、を有する水素発生装置と、
酸素を供給する酸素供給管、上記排出管に連通して配置され上記排出管から排出される水素を供給する水素供給管、上記酸素と上記水素とにより電気を発生するセル部、及び上記セル部からガスを排出するガス排出管、を有する燃料電池と、
運転停止時に上記放出管から内部に存在する液体が放出されるよう制御する制御部と
を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
上記供給部、上記排出管、及び上記放出管には各々開閉弁が設けられており、上記水素生成部の圧力により上記放出管から上記液体が放出されるよう、上記制御部は運転停止時に上記供給部及び上記排出管の開閉弁を閉じ、上記放出管の開閉弁を開けるよう制御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。
上記供給部、上記放出管、及び上記ガス排出管には各々開閉弁が設けられており、上記水素生成部の圧力により上記放出管から上記液体が放出されるよう、上記制御部は運転停止時に上記供給部及び上記ガス排出管の開閉弁を閉じ、上記放出管の開閉弁を開けるよう制御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。
運転時に、供給部から供給される常温で液体状態にある燃料又は水を水素生成部に供給し、水素生成部でこの燃料又は水に基づいて水素を生成する手順と、運転停止時に、上記供給部に接続された放出管から内部に存在する液体を放出する手順とを含む水素発生装置の運転方法。