JP2004288417A

JP2004288417A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2004288417A
Application number: JP2003077135A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Omoto; 節男大本; Naohiko Ishibashi; 直彦石橋; Keiji Fujikawa; 圭司藤川; Hirohisa Yoshida; 博久吉田; Masami Kondo; 正實近藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】燃料ガス中の二酸化炭素濃度の低減を低コストで簡単且つコンパクトに実施することができる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池本体１０と、空気１を燃料電池本体１０の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給装置２０と、都市ガス３と水４の蒸気とを反応させて改質した水素含有の燃料ガス５を燃料電池本体１０の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給装置３０とを備えた燃料電池発電システムにおいて、燃料電池本体１０の燃料ガス供給側に送給される燃料ガス５中から二酸化炭素をアミン溶液６により吸収除去するアミン処理装置４０を備えた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
家屋等の電力供給源としての利用が検討されている従来の燃料電池発電システムの一例の概略構成を図２を用いて説明する。
【０００３】
図２に示すように、従来の燃料電池発電システムは、固体高分子電解質を使用した固体高分子電解質型の燃料電池本体１１０と、酸素を含有する酸化ガスである空気１を前記燃料電池本体１１０の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給装置１２０と、炭化水素ガス含有ガスである都市ガス３と水４の蒸気とを反応させて改質した水素含有の燃料ガス５を燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給装置１３０とを備えている。
【０００４】
前記燃料ガス供給装置１３０は、都市ガス３と水４の蒸気とを反応させて水素含有の燃料ガス５を生成させる改質器１３１と、空気２と都市ガス３とを燃焼させて発生した燃焼ガス７により上記改質器１３１の内部の触媒を加熱する加熱装置１３２とを備えている。
【０００５】
上記燃料電池本体１１０の使用済み燃料ガス排出側は、前記加熱装置１３２の空気２の供給ラインに連絡している。上記燃料電池本体１１０の使用済み酸化ガス排出側は、系外へ連絡している。
【０００６】
このような従来の燃料電池発電システムにおいては、燃料ガス供給装置１３０の加熱装置１３２を作動して、空気２と都市ガス３とを燃焼させて生成した燃焼ガス７の熱により、前記改質器１３１を加熱すると共に、当該改質器１３１に都市ガス３及び水４を供給すると、都市ガス３が改質器１３１内の触媒により水４の蒸気と反応して、二酸化炭素等を含む水素を含有する燃料ガス５に改質される。
【０００７】
上記燃料ガス５は、燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側に送給され、酸化ガス供給装置１２０から燃料電池本体１１０の酸化ガス供給側に供給された空気１と電気化学的に反応して発電を行った後、前記加熱装置１３４に送給されて、燃焼ガス７の原料に利用される。
【０００８】
ここで、上記燃料電池発電システムにおいて、燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側に一酸化炭素が流入してしまうと、燃料ガス供給側の電極触媒が被毒して発電能力の低下を生じてしまうおそれがあることから、一酸化炭素濃度を低減させる触媒を上記改質器１３１に設けることにより、燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側に供給する燃料ガス５中から一酸化炭素を除去するようにしている。
【０００９】
しかしながら、燃料ガス５中の二酸化炭素を除去していないことから、燃料ガス５中の二酸化炭素濃度が高いと、当該二酸化炭素が燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側の電極触媒による平衡反応で一酸化酸素を生成し、電極触媒を被毒してしまうおそれがある。
【００１０】
このため、例えば、パラジウム薄膜等のメンブレンリフォーマにより、水素ガス濃度の高い燃料ガスを燃料電池本体に供給したり（下記特許文献１，２等参照）、都市ガスから改質した燃料ガスをリチウム化ジルコニア等の酸化物セラミックスと６００℃程度の温度で接触させて二酸化炭素を吸収除去してからＣＯ変成器で一酸化炭素濃度を低減することにより、水素ガス濃度の高い燃料ガスを燃料電池本体に供給したり（下記特許文献３等参照）することが提案されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−３２７３０６号公報
【特許文献２】
特開２００２−３０５０１５号公報
【特許文献３】
特開２００２−２５５５１０号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１，２の提案では、非常に高価で薄いパラジウム薄膜を多く使用しなければならないため、装置コストが高くなってしまうと共に、膜破れ等の損傷を生じやすく、また、上記特許文献３の提案では、都市ガスの改質反応よりも高い温度（７００℃程度以上）でリチウム化ジルコニア等の酸化物セラミックスを加熱しないと、当該酸化物セラミックスから二酸化炭素を離脱させて当該酸化物セラミックスを再生することができないため、装置が大きくなってしまうと共に、多くの熱エネルギを消費してしまうことから、上記特許文献１〜３の提案では、特に作動温度の低い固体高分子電解質型の燃料電池本体１１０を使用する燃料電池発電システムの適用先として検討されている一般家庭等では利用することが非常に困難であった。
【００１３】
このようなことから、本発明は、燃料ガス中の二酸化炭素濃度の低減を低コストで簡単且つコンパクトに実施することができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明による燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、酸素を含有する酸化ガスを前記燃料電池本体の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給手段と、炭化水素ガス含有ガスと水蒸気とを反応させて改質した水素含有の燃料ガスを前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給される前記燃料ガス中から二酸化炭素をアミン溶液により吸収除去するアミン処理手段を備えていることを特徴とする。
【００１５】
第二番目の発明による燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記アミン処理手段を複数備えると共に、前記燃料ガス中からの二酸化炭素の吸収除去を選択された前記アミン処理手段で行うように当該燃料ガスの流路を切り換える切換手段を備えていることを特徴とする。
【００１６】
第三番目の発明による燃料電池発電システムは、第一番目又は第二番目の発明において、前記アミン処理手段が、前記燃料ガスと前記アミン溶液とを接触させる二酸化炭素吸収手段と、前記アミン溶液を加熱して当該アミン溶液から二酸化炭素を放出させる二酸化炭素放出手段とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
第四番目の発明による燃料電池発電システムは、第三番目の発明において、前記二酸化炭素放出手段が、前記燃料ガス供給手段で使用されて排出される熱を利用して前記アミン溶液を加熱するものであることを特徴とする。
【００１８】
第五番目の発明による燃料電池発電システムは、第一番目から第四番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池本体が、固体高分子電解質を使用した固体高分子電解質型であることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明による燃料電池発電システムの実施の形態を図１を用いて説明する。図１は、燃料電池発電システムの概略構成図である。
【００２０】
本実施の形態にかかる燃料電池発電システムは、図１に示すように、固体高分子電解質を使用した固体高分子電解質型の燃料電池本体１０と、酸素を含有する酸化ガスである空気１を前記燃料電池本体１０の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給手段である酸化ガス供給装置２０と、炭化水素ガス含有ガスである都市ガス３と水４の蒸気とを反応させて改質した水素含有の燃料ガス５を燃料電池本体１０の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給手段である燃料ガス供給装置３０とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体１０の燃料ガス供給側に送給される燃料ガス５中から二酸化炭素をアミン溶液６により吸収除去するアミン処理手段であるアミン処理装置４０を備えたものである。
【００２１】
前記燃料ガス供給装置３０は、都市ガス３と水４の蒸気とを反応させて水素含有の燃料ガス５を生成させる改質器３１と、空気２と都市ガス３とを燃焼させて発生した燃焼ガス７により上記改質器３１の内部の触媒（一般に、改質触媒、ＣＯ変性触媒、ＣＯ低減触媒等が充填されている。）を加熱する加熱装置３２とを備えている。
【００２２】
上記燃料電池本体１０の使用済み燃料ガス排出側は、前記加熱装置３２の空気２の供給ラインに連絡している。上記燃料電池本体１０の使用済み酸化ガス排出側は、系外へ連絡している。
【００２３】
前記アミン処理装置４０は、前記燃料ガス５と前記アミン溶液６とを接触させる二酸化炭素吸収手段である二酸化炭素吸収装置４１と、前記アミン溶液６を加熱して当該アミン溶液６から二酸化炭素を放出させる二酸化炭素放出手段である加熱装置４２とを備えている。
【００２４】
上記二酸化炭素吸収装置４１は、アミン溶液６を内部に貯留すると共に、前記燃料ガス供給装置３０の改質器３１からの燃料ガス５を内部に送給される処理槽４１ａと、前記処理槽４１ａ内に配設されてアミン溶液６を散布する散布ノズル４１ｂと、前記処理槽４１ａ内に貯留されているアミン溶液６を前記散布ノズル４１ｂに送給する送給ポンプ４１ｃとを備えている。なお、図１中、４３は、処理槽４１ａの内部上方と外部との間の連通と遮断とを切り換えるバルブである。
【００２５】
また、本実施の形態にかかる燃料電池発電システムにおいては、前記燃料ガス供給装置３０の改質器３１と燃料電池本体１０の燃料ガス供給側との間に前記アミン処理装置４０を並列に複数配設しており（本実施の形態では２つ）、前記燃料ガス５中からの二酸化炭素の吸収除去を、選択したアミン処理装置４０で行うことができるように、燃料ガス５の流路を切り換える切換手段であるバルブ５１〜５４を備えている。
【００２６】
このような本実施の形態にかかる燃料電池発電システムにおいては、まず、前記バルブ４３を閉鎖しておき、燃料ガス供給装置３０の改質器３１と燃料電池本体１０の燃料ガス供給側との間で一方のアミン処理装置４０のみを連絡させるように、一方のアミン処理装置４０側の前記バルブ５１，５３を開放すると共に、他方のアミン処理装置４０側の前記バルブ５２，５４を閉塞した後、一方のアミン処理装置４０の送給ポンプ４１ｃを作動して、一方のアミン処理装置４０の処理槽４１ａ内で散布ノズル４１ｂによりアミン溶液６を上方から散布する。
【００２７】
続いて、前記燃料ガス供給装置３０の加熱装置３２を作動して、空気２と都市ガス３とを燃焼させて生成した燃焼ガス７の熱により、前記改質器３１を加熱すると共に、当該改質器３１に都市ガス３及び水４を供給すると、都市ガス３が改質器３１内の触媒により水４の蒸気と反応して、二酸化炭素等を含む水素を含有する燃料ガス５に改質される。このとき、燃料ガス５中の二酸化炭素濃度は、ドライベースで約２３％前後となる。
【００２８】
上記燃料ガス５は、前記バルブ５１を介して一方のアミン処理装置４０の処理槽４１ａ内に流入し、前記散布ノズル４１ｂから散布されるアミン溶液６と接触して、下記に示す反応を生じることにより、二酸化炭素がアミン溶液６に吸収除去され、二酸化炭素濃度が大幅に低減される。これにより、燃料ガス５中の二酸化炭素濃度は、ドライベースで約０．１％となる。
【００２９】
２ＲＮＨ_２＋ＣＯ_２→（ＲＮＨ_３）^＋（ＲＨＮＣＯＯ）⁻
【００３０】
二酸化炭素を除去された燃料ガス５は、前記バルブ５３を介して燃料電池本体１０の燃料ガス供給側に送給され、酸化ガス供給装置２０から燃料電池本体１０の酸化ガス供給側に供給された空気１と電気化学的に反応して発電を行った後、前記加熱装置３４に送給されて、燃焼ガス７の原料に利用される。
【００３１】
このようにして燃料ガス５中の二酸化炭素を吸収除去していき、一方のアミン処理装置４０のアミン溶液５の二酸化炭素吸収能力が飽和近くになったら、他方のアミン処理装置４０の送給ポンプ４１ｃを作動して、他方のアミン処理装置４０の処理槽４１ａ内での散布ノズル４１ｂによるアミン溶液６の散布を開始した後、燃料ガス供給装置３０の改質器３１と燃料電池本体１０の燃料ガス供給側との間で他方のアミン処理装置４０のみを連絡させるように、他方のアミン処理装置４０側の前記バルブ５２，５４を開放すると共に、一方のアミン処理装置４０側の前記バルブ５１，５３を閉塞すると、燃料ガス５は、一方のアミン処理装置４０から他方のアミン処理装置４０の処理槽４１ａ内に流入するように流路が切り換わり、上述した一方のアミン処理装置４０の場合と同様にしてアミン溶液６により二酸化炭素が吸収除去される。
【００３２】
このようにして燃料ガス供給装置３０の改質器３１からの燃料ガス５中の二酸化炭素の吸収除去を他方のアミン処理装置４０に切り換えたら、一方のアミン処理装置４０の送給ポンプ４１ｃの作動を停止して、一方のアミン処理装置４０の処理槽４１ａ内での散布ノズル４１ｂからのアミン溶液６の散布を停止した後、一方のアミン処理装置４０側の前記バルブ４３を開放すると共に、当該アミン処理装置４０の前記加熱装置４２を作動して処理槽４１ａ内のアミン溶液６を所定の温度（１２０℃程度）まで加熱すると、当該アミン溶液６が下記に示す反応を生じて二酸化炭素を放出し、再生処理される。アミン溶液６から放出された二酸化炭素は、上記バルブ４３を介して系外へ排出される。
【００３３】
（ＲＮＨ_３）^＋（ＲＨＮＣＯＯ）⁻→２ＲＮＨ_２＋ＣＯ_２
【００３４】
このようにして一方のアミン処理装置４０のアミン溶液６を再生処理し終えたら、当該アミン処理装置４０側の前記バルブ４３を閉鎖すると共に、前記加熱装置４２の作動を停止する。そして、他方のアミン処理装置４０のアミン溶液６の二酸化炭素吸収能力が飽和近くになったら、燃料ガス５を他方のアミン処理装置４０から一方のアミン処理装置４０に流通させるように流路を切り換える。以下、上述した操作を繰り返すことにより、燃料ガス供給装置３０の改質器３１から送出されてきた燃料ガス５中の二酸化炭素を連続的に吸収除去して燃料電池本体１０に送給することができる。
【００３５】
つまり、本実施の形態による燃料電池発電システムにおいては、燃料ガス供給装置３０の改質器３１と燃料電池本体１０の燃料ガス供給側との間にアミン処理装置４０を配設して、上記改質器３１からの燃料ガス５中の二酸化炭素をアミン溶液６により吸収除去するようにしたのである。
【００３６】
このため、前述した特許文献１，２の提案のように、非常に高価で薄いパラジウム薄膜を使用しなくても済むと共に、前述した特許文献３の提案のように、リチウム化ジルコニア等の酸化物セラミックスのような都市ガス４の改質反応よりも高い温度（７００℃程度以上）で加熱再生処理しなくても済ませることができる。
【００３７】
したがって、本実施の形態によれば、装置の高コスト化や大型化を抑制することができると共に、メンテナンスの容易化及びランニングコストの低減を図ることができることから、燃料ガス５中の二酸化炭素濃度の低減を低コストで簡単且つコンパクトに実施することができ、一般家庭等への適用が非常に容易となる。
【００３８】
また、アミン処理装置４０を並列に複数配設して、燃料ガス５中からの二酸化炭素の吸収除去を、選択したアミン処理装置４０で行うことができるようにしたので、燃料ガス５中からの二酸化炭素の吸収除去を連続して行うことができ、長時間にわたって連続して発電することができる。
【００３９】
なお、本実施の形態では、処理槽４１ａ内のアミン溶液６を送給ポンプ４１ｃにより散布ノズル４２ｂから散布することにより、燃料ガス５とアミン溶液６とを接触させて燃料ガス５中の二酸化炭素を吸収除去するアミン処理装置４０を適用するようにしたが、これに代えて、例えば、前記改質器３１からの燃料ガス５を処理槽４１ａ内のアミン溶液６中でバブリングさせることにより、燃料ガス５とアミン溶液６とを接触させて燃料ガス５中の二酸化炭素を吸収除去するアミン処理装置を適用することも可能である。
【００４０】
また、アミン処理装置４０の前記加熱装置４２としては、電気ヒータ等のような一般的な加熱機器を適用することも可能であるが、燃料ガス供給装置３０の改質器３１の加熱に使用した燃焼ガス７の排気を熱源に利用する熱交換タイプとすれば、ランニングコストをより低減することができる。
【００４１】
また、本実施の形態では、アミン処理装置４０を並列に２つ配設するようにしたが、３つ以上配設することも可能であり、各種条件に応じて適宜選定することができる。
【００４２】
また、本実施の形態では、炭化水素ガス含有ガスとして都市ガス３を利用したが、本発明はこれに限らず、ＬＰガス等の常温常圧下でガス状をなすものはもちろんのこと、例えば、灯油等のような常温常圧下で液状をなす石油系燃料であっても、これを加熱気化させることにより、適用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
第一番目の発明による燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、酸素を含有する酸化ガスを前記燃料電池本体の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給手段と、炭化水素ガス含有ガスと水蒸気とを反応させて改質した水素含有の燃料ガスを前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給される前記燃料ガス中から二酸化炭素をアミン溶液により吸収除去するアミン処理手段を備えていることから、燃料電池本体の燃料ガス供給側に送球される燃料ガス中の水素濃度の高濃度化を図ることができ、燃料電池本体の発電性能を飛躍的に向上させることができる。また、従来技術で説明した特許文献１，２に記載されているものと比べて、装置の高コスト化や大型化を抑制することができると共に、メンテナンスの容易化及びランニングコストの低減を図ることができるので、燃料ガス中の二酸化炭素濃度の低減を低コストで簡単且つコンパクトに実施することができ、一般家庭等への適用が非常に容易となる。
【００４４】
第二番目の発明による燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記アミン処理手段を複数備えると共に、前記燃料ガス中からの二酸化炭素の吸収除去を選択された前記アミン処理手段で行うように当該燃料ガスの流路を切り換える切換手段を備えていることから、燃料ガス中からの二酸化炭素の吸収除去を連続して行うことができ、長時間にわたって連続して発電することができる。
【００４５】
第三番目の発明による燃料電池発電システムは、第一番目又は第二番目の発明において、前記アミン処理手段が、前記燃料ガスと前記アミン溶液とを接触させる二酸化炭素吸収手段と、前記アミン溶液を加熱して当該アミン溶液から二酸化炭素を放出させる二酸化炭素放出手段とを備えていることから、二酸化炭素吸収手段を再生して繰り返して処理することができ、ランニングコストをより低減することができる。
【００４６】
第四番目の発明による燃料電池発電システムは、第三番目の発明において、前記二酸化炭素放出手段が、前記燃料ガス供給手段で使用されて排出される熱を利用して前記アミン溶液を加熱するものであることから、ランニングコストをさらに低減することができる。
【００４７】
第五番目の発明による燃料電池発電システムは、第一番目から第四番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池本体が、固体高分子電解質を使用した固体高分子電解質型であることから、燃料電池本体の作動温度を低くすることができ、一般家庭等でも容易に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電システムの実施の形態の概略構成図である。
【図２】従来の燃料電池発電システムの一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１，２空気
３都市ガス
４水
５燃料ガス
６アミン溶液
７燃焼ガス
１０燃料電池本体
２０酸化ガス供給装置
３０燃料ガス供給装置
３１改質器
３２加熱装置
４０アミン処理装置
４１二酸化炭素吸収装置
４１ａ処理槽
４１ｂ散布ノズル
４１ｃ送給ポンプ
４２加熱装置
４３バルブ
５１〜５４バルブ

Claims

燃料電池本体と、
酸素を含有する酸化ガスを前記燃料電池本体の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給手段と、
炭化水素ガス含有ガスと水蒸気とを反応させて改質した水素含有の燃料ガスを前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給手段と
を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給される前記燃料ガス中から二酸化炭素をアミン溶液により吸収除去するアミン処理手段を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項１において、
前記アミン処理手段を複数備えると共に、
前記燃料ガス中からの二酸化炭素の吸収除去を選択された前記アミン処理手段で行うように当該燃料ガスの流路を切り換える切換手段を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項１又は２において、
前記アミン処理手段が、
前記燃料ガスと前記アミン溶液とを接触させる二酸化炭素吸収手段と、
前記アミン溶液を加熱して当該アミン溶液から二酸化炭素を放出させる二酸化炭素放出手段と
を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項３において、
前記二酸化炭素放出手段が、前記燃料ガス供給手段で使用されて排出される熱を利用して前記アミン溶液を加熱するものである
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、
前記燃料電池本体が、固体高分子電解質を使用した固体高分子電解質型であることを特徴とする燃料電池発電システム。