JP2005294207A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 熱効率の高い燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 燃料電池４から排出されるアノード排ガスを燃焼して改質器１に供給する原料ガス１０と水蒸気１４と空気１２の少なくとも一つを加熱する第１の燃焼器５と、アノード排ガスを燃焼して貯湯槽７の温水を追焚きする第２の燃焼器６とを備え、第１の燃焼器５に供給するアノード排ガスの余剰分を第２の燃焼器６に供給する制御手段を設けるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、固体高分子型燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスを有効利用する技術に関する。

燃料電池システムは、炭化水素系燃料を用いて水素を製造する水素製造装置と、水素と酸素とを反応させて発電を行う燃料電池を備えて構成される。水素製造装置は、触媒存在下、炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素に改質する改質器と、この改質器から発生される改質ガス中のＣＯをＣＯシフト反応によって酸化させるＣＯ変成器と、さらに改質ガス中に残存するＣＯを選択酸化させるＣＯ選択酸化器とを備えている。このような水素製造装置により生成された改質ガスは、燃料電池のアノードに導入され、カソードに導入される酸素と反応して電気を発生する。

一方、燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガス中には、発電に使用されない未反応水素が含まれている。このため、アノード排ガスを燃焼器に導いて燃焼させ、水素製造装置に供給する炭化水素系燃料や水等を予熱したり、改質器の加熱等に利用する方法が検討されている。

例えば、水素製造装置や燃料電池の廃熱を利用して給湯を行う発電給湯システムにおいて、貯湯槽に温水を貯湯し、追焚きバーナの燃焼立ち上げ時にアノード排ガスを導入して燃焼させることにより、燃焼触媒を短時間で所定温度に加熱する技術が提案されている（特許文献１参照。）。

特開２００１−１５５７４７号公報

ところで、一般に、燃料電池の電力負荷が変化すると、これに伴いアノード排ガス中の水素量が変化する。そのため、例えば、電力負荷が低下すると、アノード排ガス中の水素量が一時的に増加して、熱の需要に対し余剰が生じ、システム全体の熱効率が低下するという問題がある。

本発明は、熱効率の高い燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、燃料電池から排出されるアノード排ガスを燃焼して改質器に供給する原料ガスと水蒸気と空気の少なくとも一つを加熱する第１の燃焼器と、アノード排ガスを燃焼して貯湯槽の温水を追焚きする第２の燃焼器とを備え、第１の燃焼器に供給するアノード排ガスの余剰分を第２の燃焼器に供給する制御手段を設けてなることを特徴とする。

すなわち、定常的に、アノード排ガスを第１の燃焼器に導いて燃焼させ、原料ガス等の予熱を行うとともに、燃料電池の電力負荷が低下してアノード排ガスに余剰が生じると、その余剰分を第２の燃焼器に分配し、温水の追焚きに利用するようにする。これによれば、アノード排ガスの余剰分を系外に排出せずに有効利用できるから、燃料電池システムとしての熱効率を向上させることができる。

具体的に、制御手段としては、アノード排ガスを第１と第２の燃焼器に供給する配管に、第１の燃焼器に供給されるアノード排ガスの流量を計測する流量計と、この流量を燃料電池の負荷に相関させて定めた設定値に保持するように第２の燃焼器に供給するアノード排ガス量を制御する流量制御弁とを設けるようにする。

この場合において、改質器から排出される改質ガス中のＣＯを水素に変換するＣＯシフト触媒を有するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器から排出される改質ガス中のＣＯを選択酸化するＣＯ選択酸化触媒を有するＣＯ選択酸化器とを備え、ＣＯシフト触媒とＣＯ選択酸化触媒の少なくとも一方の反応熱を熱交換器により回収し、その回収熱により貯湯槽の温水と改質器に供給する原料ガスと水蒸気と空気の少なくとも一つを加熱するようにすることが好ましい。

また、燃料電池から排出されるアノード排ガスとカソード排ガスの少なくとも一方の熱を回収し、その回収熱により貯湯槽の温水を加熱することが好ましい。

このように、ＣＯシフト触媒等の反応熱やアノード排ガス等の熱を回収して再利用することにより、本システムの中で温水の加熱に必要な熱量を賄うことができるため、熱効率を一層向上できる。

本発明によれば、熱効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明が適用される燃料電池システムの実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明が適用される燃料電池システムの第１の実施形態の全体構成図である。本実施形態の燃料電池システムは、改質器１、ＣＯ変成器２、ＣＯ選択酸化器３、燃料電池４、第１の燃焼器５、第２の燃焼器６、貯湯槽７を備えて構成される。燃料電池４は、内部加湿方式の固体高分子形燃料電池が用いられ、水素極のアノード８と酸素極のカソード９とを備えている。改質器１は、部分酸化式燃料改質器が用いられている。なお、本実施形態では、改質器１の炭化水素系燃料として都市ガス１０を用いるが、例えば、天然ガス、メタンガス、プロパンガス、メタノール、ナフサ、ガソリン等を用いてもよい。

改質器１には、都市ガス供給配管１１、空気供給配管１３、水供給配管１５が、それぞれ第１の燃焼器５を経由して接続されている。都市ガス供給配管１１には、都市ガス１０に含まれる付臭剤（硫黄成分）を除去する脱硫器１６、脱硫された都市ガス１０を圧縮して高圧にするガス圧縮機１７が配設されている。空気供給配管１３、水供給配管１５には、空気１２を圧縮する空気ポンプ１８、水１４を圧縮する水ポンプ１９がそれぞれ配設されている。また、水供給配管１５は、水ポンプ１９と第１の燃焼器５との間において、改質器１の後流側に設けられる熱交換器２０に接続されている。

改質器１内には、都市ガス１０を空気１２で部分燃焼させる燃焼触媒層と、都市ガス１０に水１４を反応させて改質させる改質触媒層が備えられている。燃焼触媒層においては、改質反応に必要な熱を発生させるため、都市ガス１０の一部を空気１２により燃焼する。

改質触媒層においては、例えば、Ｎｉ系やＲｕ系等の改質触媒が用いられ、都市ガス１０と水１４が反応して水素リッチな改質ガスが生成する。メルカプタン系の付臭剤等を含む炭化水素系燃料（都市ガス１０を含む）を用いる場合は、硫黄による触媒被毒を防ぐため、Ｎｉ系の改質触媒を用いることが好ましい。また、カーボン析出防止のため、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属等を触媒中に添加してもよい。

改質器１の出側は、流路を介して熱交換器２０の入側に接続されている。ここにおいて、改質器１から排出される高温の改質ガスは、水供給配管１５から供給される水１４と熱交換して冷却されるようになっている。さらに、熱交換器２０の出側は、ＣＯ変成器２の入側に接続されている。このＣＯ変成器２には、ＣＯシフト触媒層が備えられ、ここにおいて改質ガス中のＣＯがＣＯシフト反応により水と反応してＣＯ_２に転換されるようになっている。ＣＯシフト触媒としては、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ等の遷移金属系、Ｐｔ，Ｒｕ等の貴金属系等を用いることができるが、安全性や反応熱等の観点から貴金属系を用いることが好ましい。また、触媒活性を向上させるため、希土類金属等を添加してもよい。なお、ＣＯシフト触媒層には、ＣＯシフト触媒用熱交換器３４が設けられ、冷却水３８を通して反応熱が回収され、所定の触媒活性温度に保持されるようになっている。

ＣＯ変成器２の出側とＣＯ選択酸化器３の入側を接続する流路には、酸化用空気ポンプ２１から吐出された空気２２が添加されるようになっている。ＣＯ選択酸化器３は、ＣＯ選択酸化触媒層を備え、ここにおいて改質ガス中のＣＯは、選択的に酸化されてＣＯ_２に転換されるようになっている。このＣＯ選択酸化触媒層には、例えば、γ−アルミナ、チナニア、ジルコニア等の粒子、コージェライトハニカム、ペーパハニカム等の触媒担体に、触媒の活性成分であるＭｎ、Ｍｇ等の遷移金属またはＰｔ、Ｒｕ、Ｐｄ等の貴金属を担持させたものを用いることができる。なお、ＣＯ選択酸化触媒層には、ＣＯ選択酸化器用熱交換器３５が設けられ、冷却水３９を通して反応熱が回収され、所定の触媒活性温度に保持されるようになっている。

ＣＯ選択酸化器３の出側は、燃料電池４のアノード８の入側と接続され、改質された高濃度の水素が導入される一方、燃料電池のカソード９の入側は、空気供給管と接続され、カソード用空気ポンプ２３から吐出される空気２４が供給されるようになっている。

燃料電池４では、アノード８に供給される水素とカソード９に供給される空気中の酸素が反応して発電が行われるが、発電に使用されなかった未反応の水素及び酸素は、アノード排ガス及びカソード排ガスとしてそれぞれ排出されるようになっている。つまり、アノード排ガスは、アノード排ガス排出管２５を通じてアノード８の出側から排出された後、システム内で再利用（後述）される一方、カソード排ガスは、カソード９の出側からカソード排ガス排出管２６を通じて大気に排出されるようになっている。

アノード排ガス排出管２５は、流量計２９を備えた配管２７と流量制御弁３０を備えた配管２８に二股分岐され、配管２７は第１の燃焼器５の燃料ガス入口に接続される一方、配管２８は、第２の燃焼器６の燃料ガス入口に接続されている。流量制御弁３０は、流量計２９と電気的に接続され、流量計２９の計測値、つまり配管２７を通流するアノード排ガスの流量が、燃料電池４の電力負荷に相関させて定められた設定値に保持されるように、弁開度が制御されるようになっている。

一方、燃料電池４において、電極反応により発生した熱は、伝熱部材を介して冷却水３１により回収され、この回収熱により貯湯槽７の温水が加熱されるようになっている。貯湯槽７の温水は、循環流路３２を通じて第２の燃焼器６に導かれ、追焚きされてから戻される一方、外部の水源から供給流路３３を通じて供給される水は、第２の燃焼器６により加熱された後、貯湯槽７に供給されるようになっている。

次に、本実施形態の動作を説明する。まず、改質器１及び第１の燃焼器５を起動させ、それぞれ都市ガス等を燃焼させて所定温度まで加熱する。次に、都市ガス供給管１１、空気供給管１３を介して供給される都市ガス１０、空気１２は、それぞれ第１の燃焼器５を経て加熱された後、改質器１内に導入される。改質器１内に都市ガス１０と空気１２（例えば、必要空気量の２０乃至３０％）が導入されると、燃焼触媒層において都市ガス１０の一部が部分燃焼し、改質触媒層が加熱される。一方、水供給管１５を通じて供給された水１４は、第１の燃焼器５を経て加熱され水蒸気１４となり、改質器１内に導入される。改質器１内に導入された水蒸気１４（以下、水１４と略す。）は、加熱された改質触媒層において都市ガス１０と改質反応し、水素リッチな改質ガスが生成される。

ここで、便宜上、都市ガス１０をメタンガスとして表すと、改質器１では、式１の改質反応が進行し、Ｈ_２及びＣＯが生成される。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ ←→ ＣＯ＋３Ｈ_２（式１）
同時に、式１の反応で生成したＣＯは、式２に示すように、水とのＣＯ転化反応が進行し、さらにＨ_２とＣＯ_２に転換される。

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ←→ ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・（式２）
この改質ガスは、高温状態（例えば、６５０乃至８００℃）で改質器１から排出され、第１の熱交換器２０に導入される。第１の熱交換器２０に導入された改質ガスは、水１４と熱交換して冷却され、ＣＯシフト触媒の触媒活性温度（例えば、２００乃至３５０℃）まで減温される。続いて、この減温された改質ガスがＣＯ変成器２内に導入されると、式３のＣＯシフト反応により改質ガス中のＣＯがＣＯ_２に転換され、例えば、ＣＯ濃度が２０００乃至５０００ｐｐｍ程度に低減される。

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ←→ ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・（式３）
ＣＯ変成器２で処理された改質ガスは、さらに図示しない熱交換器により、ＣＯ選択酸化触媒の触媒活性温度（例えば、１１０乃至２００℃）まで減温されると共に、酸化用空気ポンプ２１から吐出された空気２２が添加される。この空気２２が添加された改質ガスは、ＣＯ選択酸化器３内に導入され、式４に示すＣＯ選択酸化反応により改質ガス中のＣＯがＣＯ_２に転換される。これにより、ＣＯ濃度が固体燃料電池のＣＯ許容濃度（例えば、１０ｐｐｍ以下）に低減される。

ＣＯ＋１／２Ｏ_２ ←→ ＣＯ_２・・・（式４）
ＣＯ選択酸化器３で生成された改質ガスは、アノード８に供給され、カソード９に供給される空気中の酸素と反応して発電が行われる。発電に利用されなかった未反応水素を含むアノード排ガスは、アノード排ガス排出管２５及び配管２７を順次経由して第１の燃焼器５に導入され、ここにおいて燃焼処理されて燃焼排ガスが大気に排出される。アノード排ガスの燃焼に伴い、ここを通過する都市ガス１０、空気１２、水１４は、加熱されて改質器１に供給される。なお、カソード排ガスは回収されずに大気に排出される。

配管２７を通過するアノード排ガスの流量は流量計２９で計測される。この流量計２９は、燃料電池４の電力負荷に応じて定められた流量設定値に保持するように、流量制御弁３０の弁開度が制御されている。すなわち、通常、流量制御弁３０は閉じられ、アノード排ガスはすべて第１の燃焼器５に導かれて燃焼処理されるが、例えば、燃料電池４の電力負荷が減少し、アノード排ガスの流量が増加して流量設定値を超えた場合、流量制御弁３０が開放され、第２の燃焼器６に余剰分のアノード排ガスが導入される。そして、第２の燃焼器６においては、アノード排ガスの燃焼に伴い、貯湯槽７の温水が追焚きされ、熱として蓄えられる。

なお、本実施形態においては、都市ガス１０等の原料予熱を優先させるため、給湯設備から追焚き指令を受けた場合、第２の燃焼器６に分配するアノード排ガスが不足することがあるが、都市ガス圧縮器３６を備えた助燃用都市ガス供給管から助燃用都市ガス３７を供給することにより、アノード排ガスの不足分を補うことができる。

ここで、燃料電池システムの性能を示す指標となる熱効率は、（（システム内で利用された熱量）／（原料の都市ガスの熱量＋助燃用都市ガスの熱量））×１００の式で表すことができる。つまり、熱効率を向上させるには、システム内で利用される熱量を増加させるか、又は助燃用都市ガスの熱量を減少させることが必要になる。これに対し、本実施形態によれば、燃料電池４の負荷変動等に応じて生じるアノード排ガスの余剰分を、系外に排出することなく、システム内で有効利用できるため、燃料電池システムの熱効率を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、燃料電池４の発熱分は、電池排熱を凝縮水の潜熱と共に冷却水３１により回収し、この回収熱により貯湯槽７の温水を加熱するようにしている。つまり、燃料電池システムの中で温水の加熱に必要な熱量を賄うようにしているから、助燃用都市ガス３７の使用量が抑制され、システム全体の熱効率を一層向上できる。

なお、アノード排ガスの他の利用態様として、第１の燃焼器５による原料予熱を行うと共に、給湯設備からの追焚き指令を優先させて、アノード排ガスの一部を追焚きに必要な熱量に流量調整し、この必要量を第２の燃焼器６に導入するようにしてもよい。この場合、第１の燃焼器５に上記と同様の助燃用都市ガス供給管等を設けることが好ましい。

次に、本発明が適用される燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。図２は、本発明を適用してなる燃料電池システムの第２の実施形態の全体構成図である。なお、以下の実施形態において、第１の実施形態と同様の部分については同一符号を付して説明を省略し、相違点について説明する。

本実施形態の燃料電池システムは、ＣＯシフト触媒及びＣＯ選択酸化触媒の温度が触媒活性温度の範囲に収まるように、これらの反応熱を熱交換器３４、３５を介してそれぞれ回収し、加熱された冷却水３８、３９を配管４１、４２を介して貯湯槽７に導いて、貯湯槽７の温水として利用するようになっている。

本実施形態によれば、貯湯槽７の温水の加熱に必要な熱量は、アノード排ガスによる追焚きとＣＯシフト触媒及びＣＯ選択酸化触媒の回収熱により賄うことができるから、助燃用都市ガスを用いる必要がなく、燃料電池システムの熱効率を一層向上させることができる。

次に、本発明が適用される燃料電池システムの第３の実施形態について説明する。図３は、本発明を適用してなる燃料電池システムの第３の実施形態の全体構成図である。

本実施形態の燃料電池システムは、原料となる水１４を、ＣＯ変成器２の熱交換器３４に導いてＣＯシフト触媒の反応熱を回収し、続いて、この熱回収した水１４を、水ポンプ１９を介して熱交換器２０、第１の燃焼器５を順次通過させ、改質器１に供給するようになっている。

また、アノード排ガス及びカソード排ガスは、５０乃至８０℃の飽和ガスであるから、アノード排ガス排出管２５及びカソード排ガス排出管２６に、それぞれ熱交換器４３、４４を配設し、アノード排ガスとカソード排ガスの少なくとも一方の潜熱を回収することにより、回収熱を貯湯槽７の温水加熱に利用できる。なお、これらの潜熱の利用は温水加熱に限定されず、例えば、都市ガス１０、空気１２、水１４の予熱に用いるようにしてもよい。

本実施形態によれば、貯湯槽７の温水の加熱に必要な熱量は、アノード排ガスによる追焚き、ＣＯ選択酸化触媒の回収熱、アノード排ガス潜熱及びカソード排ガス潜熱により賄うことができるから、助燃用都市ガスを用いる必要がなく、燃料電池システムの熱効率を一層向上させることができる。

次に、本発明が適用される燃料電池システムの第４の実施形態について説明する。図４は、本発明を適用してなる燃料電池システムの第４の実施形態の全体構成図である。

本実施形態の燃料電池システムにおいて、水素製造装置は、図に示すように、改質器１、熱交換器２０、ＣＯ変成器２、ＣＯ選択酸化器３及び第１の燃焼器５を一体化させて構成されている。すなわち、上述したように、都市ガス１０等の原料の加熱を改質器１と独立して併設された第１の燃焼器５で行ってもよいが、改質器１の周囲に第１の燃焼器５を設置し、アノード排ガスの燃焼熱を改質器１に供給するように構成することで、改質器１の熱放散を抑制し、熱効率を維持することができる。また、改質器１、ＣＯシフト変成器２、ＣＯ選択酸化器３は、各触媒の反応熱を回収する熱交換器等を挟んで積層した一体構造となり、各触媒温度の計測値がそれぞれ６００乃至７５０℃、２００乃至３５０℃、１１０乃至２００℃の範囲に収まるように反応熱の回収量が制御されている。

本実施形態の燃料電池システムにおいて、ＣＯシフト触媒用熱交換器３４及びＣＯ選択酸化器用熱交換器３５をそれぞれ複数の熱交換器（給水系統）で構成し、かつＣＯシフト触媒及びＣＯ選択酸化触媒の触媒温度を複数箇所測定し、この測定結果に基づいて各熱交換器による熱回収量を調整するようにしてもよい。これによれば、ＣＯシフト触媒及びＣＯ選択酸化触媒のガス流れ方向の温度分布を均一化できると共に、熱回収効率を高めることができる。

なお、上述した実施形態１乃至４の燃料電池４は、熱回収やコンパクト化等の観点から、いずれも内部加湿方式を採用しているが、外部加湿方式を採用するようにしてもよい。この場合、例えば、ＣＯ選択酸化器３と燃料電池４との間に加湿器を設置し、この加湿器から補給水を供給するようにする。

本発明を適用してなる燃料電池システムの第１の実施形態の構成図である。 本発明を適用してなる燃料電池システムの第２の実施形態の構成図である。 本発明を適用してなる燃料電池システムの第３の実施形態の構成図である。 本発明を適用してなる燃料電池システムの第４の実施形態の構成図である。

符号の説明

１ 改質器
２ ＣＯ変成器
３ ＣＯ選択酸化器
４ 燃料電池
５ 第１の燃焼器
６ 第２の燃焼器
７ 貯湯槽
８ アノード
９ カソード
１０ 都市ガス
１２ 空気
１４ 水
２５ アノード排ガス排出管
２７、２８ 配管
２９ 流量計
３０ 流量制御弁

Claims (4)

1. 燃料電池から排出されるアノード排ガスを燃焼して改質器に供給する原料ガスと水蒸気と空気の少なくとも一つを加熱する第１の燃焼器と、前記アノード排ガスを燃焼して貯湯槽の温水を追焚きする第２の燃焼器とを備え、前記第１の燃焼器に供給する前記アノード排ガスの余剰分を前記第２の燃焼器に供給する制御手段を設けてなる燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記アノード排ガスを前記第１と第２の燃焼器に供給する配管に、前記第１の燃焼器に供給される前記アノード排ガスの流量を計測する流量計と、この流量を前記燃料電池の負荷に相関させて定めた設定値に保持するように前記第２の燃焼器に供給するアノード排ガス量を制御する流量制御弁とを設けてなる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記改質器から排出される改質ガス中のＣＯを水素に変換するＣＯシフト触媒を有するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器から排出される改質ガス中のＣＯを選択酸化するＣＯ選択酸化触媒を有するＣＯ選択酸化器とを備え、前記ＣＯシフト触媒とＣＯ選択酸化触媒の少なくとも一方の反応熱を熱交換器により回収し、その回収熱により前記貯湯槽の温水と前記改質器に供給する原料ガスと水蒸気と空気の少なくとも一つを加熱してなる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池から排出されるアノード排ガスとカソード排ガスの少なくとも一方の熱を回収し、その回収熱により前記貯湯槽の温水を加熱してなる請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
   

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