JP2005353396A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】構成を簡素にし、操作を容易にして燃料処理装置内に残っている未燃ガス等を確実にしてより早く系外パージさせる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を水素リッチな改質ガスに改質させる燃料処理装置１３と、この燃料処理装置１３から生成される水素リッチな改質ガスを酸化剤と化学反応させて電力を発生させる燃料電池本体１２とを備えるとともに、前記燃料処理装置１３に水蒸気導入配管２１ａからの水蒸気を供給して残留ガスを系外パージさせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、運転停止時、プラント内に残留する未燃ガス等を確実に系外パージしてプラントを安全状態に維持させる燃料電池システムに関する。

近時、高効率のエネルギ変換装置として燃料電池が脚光を浴びている。

この燃料電池は、幾つかのタイプのものが稼動または研究開発中であるが、その中でも電解質としてプロトンを用いた固体高分子型燃料がコンパクトな構造で、高出力密度が得られ、しかも簡易なシステムで運転が可能なことから定置分散電源用だけでなく、宇宙用、車両用、さらに家庭用などの電力供給源として注目されている。

このように、注目度合が著しく高い燃料電池は、例えば図６に示すように、大別して、燃料電池本体１、燃料改質器２、パージ装置３等を備える構成になっている。

燃料電池本体１は、例えばプロトン導電性の固体高分子膜４ｃを触媒層付きのガス拡散電極４で挟む膜電極複合体を備えるとともに、その両外側に集電体としてのガス供給溝を備えるガス透過性の低い材料で作製されるセパレータ５ａ，５ｂとを交互に積層状に配置して構成されている。

また、ガス拡散電極４は、片面が燃料極４ａ、反対側の片面が酸化剤極（空気極）４ｂを備えており、水素を主成分とする燃料ガスと空気とがセパレータ５ａ，５ｂのガス供給溝を介してそれぞれ区分けして供給されている。

燃料極４ａでは、供給した燃料ガスに含まれる水素が水素イオンと電子に解離する。

その際、水素イオンは固体高分子膜４ｃをとおり、また電子は外部回路を通り酸化剤極４ｂにそれぞれ移動する。

一方、酸化剤極４ｂでは、供給した空気中の酸素と上述の水素イオンおよび電子が電気化学的に反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり、電力を供給する。

また、燃料改質器２は、都市ガス等の炭化水素系燃料から水素を主成分とする燃料ガスを生成しており、都市ガス等に含まれている硫黄分を水添脱硫等の手段で除去後、触媒の化学反応促進により、例えば水蒸気を加えて炭化水素系燃料を水素を主成分とする燃料ガスに改質させている。

一方、パージ装置３は、例えば窒素等の不活性ガス供給装置６、不活性ガス弁７を備え、燃料供給系統８の燃料弁１０の下流側に接続し、運転停止時、燃料電池本体１、燃料改質器２、燃料供給系統８のそれぞれに残っている凝縮水や未燃の水素ガス等を不活性ガス供給装置６からの不活性弁７を介して供給される不活性ガスで系外にパージさせている。

このように、従来の燃料電池においては、未燃料の水素ガスによる爆発事故や凝縮水による腐食等に対処させ、系外パージを行っている。

また、系外パージの別の手段として、例えば特開２０００−２７７１３７号公報に見られるように、パージ用ガスとして、空気を可燃性ガスと反応させて酸素を消費させることによって生成される窒素および二酸化炭素を主成分とするガスを用いて、運転停止時、未燃ガスをパージさせるものが提案されている。

また、系外パージの、さらに別の手段として、例えば特開２００２−１５１１２４号公報に開示されているように、運転停止時、改質器内の改質ガスを水蒸気でパージさせた後、改質触媒層の温度が原料ガスの熱分解が起らない温度以下で、しかも水蒸気の凝縮温度以上に低下させた後、原料ガスを供給して改質器内の水蒸気をパージさせるものが提案されている。
特開２０００−２７７１３７号公報 特開２００２−１５１１２４号公報

図６で示した従来の燃料電池発電プラントでは、燃料供給系の未反応による可燃ガスの残留に基づく爆発性、凝縮水の残留に基づく機器部品の腐食性、あるいは機器に被覆した触媒の損傷、さらに酸素ガスに基づく触媒の酸化のために活性化の低下を招くこと等を考慮して運転停止の際、窒素等の不活性ガスを用いて可燃ガスや凝縮水を系外にパージさせていた。

しかし、図６で示したパージ手段では、窒素ガス等の不活性ガス供給設備を必要とするために、システムの複雑化、大型化、イニシャルコスト高、ランニングコスト高を招くとともに、多くの付帯設備を必要とするなど、システムのコンパクト化の要請に逆行する問題点を持っていた。

また、家庭に燃料電池を設置する場合、不活性ガス供給設備を必要とするプラントは受け入れられ難く、家庭用への適用、拡販の阻害要因になっていた。

一方、特開２０００−２７７１３７号公報に開示された技術は、空気と可燃性ガスを酸化反応させてパージガスを生成するので、パージガス用ボンベが不要となり、設備を簡素化、コンパクト化させる点で有益である。

しかし、この技術は、空気を使用するため、触媒活性金属に吸着した硫黄を下流側に流出させる虞があり、活性のある触媒が活性を失う心配がある。

また、この技術は、生成したパージガスに酸素や可燃成分を含ませないことが必要であるが、現実的には難しく、火災や爆発を引き起こす虞がある。

他方、特開２００２−１５１１２４号公報に開示された技術は、残留未燃ガスを水蒸気でパージさせた後、再び原料ガスで水蒸気をパージさせた、いわゆる２工程を伴った運転停止を行っているため、停止時間に長時間を要し、運転作業員により多くの作業時間を強いる問題があった。

また、残留未燃ガスを水蒸気を用いてパージさせる場合、パージ中に生成されるドレンを適切に処理しておかないと、ドレンによる機器、部材等の侵食発生の問題があった。

本発明は、このような事情を踏まえてなされたものであり、構成を簡素にし、操作を容易にして燃料処理装置内に残っている未燃ガス等を確実かつより早く系外にパージさせるとともに、パージ中に生成されるドレンを適切に処理してより長く安定運転を続行させることのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、原燃料を水素リッチな燃料に改質させる改質反応工程及び改質燃料に含まれる一酸化炭素の濃度を低くさせる反応工程を含む燃料処理系において、燃料処理運転終了後に前記燃料処理系に水蒸気を供給し、前記燃料処理系内の残留ガス及びドレンを系外パージさせるものである。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、原燃料を水素リッチな燃料に改質させる改質器と、改質燃料に含まれる一酸化炭素の濃度を低くさせるシフト反応器と、さらに前記改質燃料に含まれる一酸化炭素の濃度をより一層低くさせる一酸化炭素選択酸化反応器とで構成するものである。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、残留ガスを系外パージさせるための水蒸気は、水蒸気導入配管により供給されるものである。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、水蒸気導入配管は、改質器の入口側、改質器の出口側とシフト反応器の入口側との間、シフト反応器の出口側と一酸化炭素選択酸化反応器の入口側との間、一酸化炭素選択酸化反応器の出口側と燃料電池本体の入口側との間のうち、少なくともいずれか１つ以上に接続させたものである。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、残留ガスを系外パージする際に生成されるドレンと運転中、反応器で改質される反応ガスとを区分け処理する手段のうち、ドレンを処理排出する手段は、改質器、シフト反応器および一酸化炭素選択酸化反応器のうち、少なくとも１つ以上の反応器に設けられ、ドレン弁とドレン管とを備えたドレン排出装置であることを特徴とするものである。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、ドレン排出装置のドレン管は、反応器の底部に接続させたものである。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、残留ガスを系外パージする際に生成されるドレンと、運転中、反応器で改質される反応ガスとを区分け処理する排出手段のうち、反応ガスを処理排出する手段は、改質器、シフト反応器および一酸化炭素選択酸化反応器のそれぞれの反応器に設けられ、反応ガス排出管と天板とで構成した反応ガス排出装置であることを特徴とするものである。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、反応ガス排出装置の反応ガス排出管は、反応器の底部から嵩上げして接続させたものである。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、反応ガス排出装置の天板は、山形形状に形成したものである。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、ドレン排出装置のドレン管の下方に電磁弁を設け、残留ガスパージ工程終了後、前記電磁弁を開くものである。

本発明に係る燃料電池システムは、反応器内等の残留ガスをパージさせる際、水蒸気による一工程のみのパージを行うので、触媒の活性能力を充分に維持させたままパージ時間を短縮させることができる。

また、本発明に係る燃料電池のシステムは、ドレンと反応ガスを別々に排出させる手段を備えたので、反応ガスのドレンによる流れを阻害させることもなく、反応ガスの燃料改質または一酸化炭素の二酸化炭素への反応を良好に促進させることができる。

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

なお、本発明に係る燃料電池システムを容易に理解するために、その説明に先立ち、先ず、一般的な燃料電池システムを説明し、本発明に係る燃料電池システムの残留ガスパージの理解への補足とする。

図１は、一般的な燃料電池システムを示す概略系統図である。

燃料電池システムは、原燃料の硫黄を除去し、原燃料を水蒸気改質させるとともに、水蒸気改質中に生成する一酸化炭素（ＣＯ）を除去する燃料処理装置１３と、水蒸気改質させた燃料ガスと空気中の酸素とを電気化学的に反応させ、その際に発生する直流電力を取り出す燃料電池本体１２とを備える構成になっている。

また、燃料電池システムは、起動運転時、硫黄除去後の原燃料を、直接、燃料電池本体１２に供給する起動運転用燃料供給配管１５と、通常運転時、硫黄除去後の原燃料を、燃料処理装置１３を介して燃料電池本体１２に切り替えて供給する通常運転用燃料供給配管１６と、燃料電池本体１２で未反応のアノード排ガスを燃料処理装置１３の改質器１８に吸熱反応用熱源として供給する燃料ガス回収系統１７とを備えている。

一方、燃料処理装置１３は、原燃料の流れに沿って順に、脱硫器１１、改質器１８、シフト反応器１９、一酸化炭素選択酸化反応器２０を備え、脱硫器１１で原燃料の硫黄を除去し、硫黄除去後の原燃料に水蒸気を加えて改質器１８で燃料ガス回収系統１７から供給されるアノード排ガスの吸熱反応用熱源の下、水蒸気改質させ、水蒸気改質後の燃料ガスのうち、一酸化炭素（ＣＯ）の濃度をシフト反応器１９で低下させ、さらに一酸化炭素除去器２０で一酸化炭素を二酸化炭素に変成させて燃料電池本体１２に水素リッチな燃料ガスを供給している。

燃料電池本体１２は、燃料極（アノード極）、空気極（カソード極）等を備え、燃料極に供給された燃料処理装置１３からの水素リッチな燃料ガスと、空気極に供給されたプロア等を介して外部からの空気とで化学反応させ、その際生成された電子を集めて直流電力として供給している。

なお、燃料処理装置１３は、改質器１８で原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質させる際、水蒸気改質させることで説明したが、この例に限らず、改質器１８で原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質させる際、部分酸化反応方式あるいはオートサーマル反応方式に代えてもよい。

このような構成を備える燃料電池システムにおいて、本実施形態は、原燃料の流れに沿って順に、改質器１８、シフト反応器１９、一酸化炭素選択酸化反応器２０、燃料電池本体１２を配置する燃料処理装置１３のうち、例えば、改質器１８の入口側に水蒸気導入配管２１ａを接続させ、燃料処理装置１３の運転終了後、水蒸気導入配管２１ａを介して燃料処理装置１３内に残っている残留ガスを系外パージさせる水蒸気を供給するとともに、パージ中に生成されるドレンを系外に排出させるドレン排出装置３３を備えたものである。

改質器１８の入口側に水蒸気導入配管２１ａを設けたのは、改質器１８自身が高温領域であり、この高温領域に対し、水蒸気の流量を多くすると流速も速くなり、燃料処理装置１３内の残留ガスをより良好に系外パージさせることができることに基づく。

図３は、燃料処理装置１３に残留する残留ガスに水蒸気パージを実施した場合の改質器出口側でのガス分析結果を基に、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）との比で示した排ガス燃焼範囲・排ガス組成線図である。

一般に、燃料電池システムにおいては、可燃性ガスと空気とからなる危険性の高い混合ガスに対し、窒素や炭酸ガス等の不活性ガスを混合させると、加えた不活性ガスの流量に応じて燃焼範囲が変わることが知見されている。このため、残留ガスに不活性ガスを加えた場合、不活性ガスを加えた残留ガスの可燃範囲を定めることは不正確になる。

ところが、水蒸気の場合、その流量の大小に影響を受けることなく、水蒸気を含んだ残留ガスの可燃範囲と非可燃範囲とははっきり区分けされる。

一方、燃料処理装置１３内の残留ガスは、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）とが９５％以上を占めており、残留ガス中、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）とを残留ガスの主成分と扱っても可燃範囲、非可燃範囲を定める場合、影響は与えないと考えられている。

このような事象から、図３に示すように、実験データをプロットしてみると、水蒸気パージ後、５分経過すると、残留ガス（排ガス）は、非可燃ガスになっていることがわかった。

したがって、燃料処理装置１３は、残留ガスを系外パージする際、水蒸気を用いても安全性の維持が保証されたことがわかった。

上述の構成を備えた燃料処理装置１３において残留ガスを系外パージさせる場合、本実施形態は、図１に示すように、燃料電池本体１２の入口側に設けた三方弁２８のうち、ポートａを開弁させるか、あるいはポートｂを開弁させた後、水蒸気導入配管２１ａから水蒸気を供給し、供給した水蒸気を順方向（燃料ガスの流れ方向）に沿って流し、この間、燃料処理装置１３内に残る残留ガスを押圧し、三方弁２８のポートａあるいはポートｂから残留ガスを系外にパージする。

なお、本実施形態は、三方弁２８に限らず、二方弁を燃料電池本体１２の入口側に２個設け、これら２個の二方弁のうち、いずれか一方を適宜使い分け、大気に直接あるいは燃料電池本体１２から燃料ガス回収系統１７、改質器１８を経由して系外パージさせてもよい。

また、本実施形態は、燃料処理装置１３内の残留ガスを順方向（燃料ガスの流れ方向）に沿って系外パージさせたが、この例に限らず、例えば一酸化炭素選択酸化反応器２０の出口側から水蒸気を供給し、供給した水蒸気を逆方向（燃料ガスの流れと逆方向）に沿って流し、改質器１８の入口側に設けたパージ管３０のパージ弁３０ａから残留ガスを系外パージさせてもよい。この場合、三方弁２８のポートａおよびポートｂは閉じられる。

このように、本実施形態は、燃料処理装置１３の改質器１８の入口側に水蒸気導入配管２１ａを設け、この水蒸気導入配管２１ａを介して水蒸気を供給するとともに、改質器１８の高温領域に対し、高温かつ多量の水蒸気を供給して流速を高める一方、水蒸気のみの一工程による残留ガスの系外パージを実施する構成にしたので、水蒸気の高温かつ多量の下、残留ガスを確実に系外にパージさせて、再起動の際の残留ガスによる火災、爆発等の危険を未然に防止することができ、水蒸気のみの一工程によりパージ運転時間を短くすることができる。

なお、本実施形態は、燃料処理装置１３の改質器１８の入口側に水蒸気導入配管２１ａを設けて燃料処理装置１３内の残留ガスを系外パージすることを説明したが、この例に限らず、図２に示すように、改質器１８の出口側とシフト反応器１９の入口側との間に水蒸気導入配管２１ｂを接続させてもよく、あるいはシフト反応器１９の出口側と一酸化炭素選択酸化反応器２０の入口側との間に水蒸気導入配管２１ｃを接続させてもよく、さらには一酸化炭素選択酸化反応器２０の出口側と燃料電池本体１２の入口側との間に水蒸気導入配管２１ｄを接続させてもよい。

この場合、改質器１８、シフト反応器１９、一酸化炭素選択酸化反応器２０のうち、少なくともいずれかに残留ガスパージ用として水蒸気導入配管２１ａ，２１ｂ，…を介して供給される水蒸気は、プラント内に設置する、例えば蒸発器等を供給源として確保されている。

図４は、本発明に係る燃料電池のシステムの第２実施形態を説明する際に使用する改質器、シフト反応器、一酸化炭素選択酸化反応器のうち、いずれかの反応器を示す概念図である。

本実施形態に係る、例えばシフト反応器等の反応器は、上流側に反応ガス入口２２を備え、下流側に反応ガス出口２３を備える容器本体２４内に、層状に配置する触媒２５を充填するとともに、触媒２５の反応ガス入口２２側に入口側目皿２６を、触媒２５の反応ガス出口２３側に出口側目皿２７をそれぞれ備え、反応ガスを入口側目皿２６から出口側目皿２７に向って反応ガスを流す構成にしたものである。

また、本実施形態に係る反応器は、容器本体２４の底部に集められたドレンを系外にブローさせるドレン排出装置３３を設ける一方、運転中、触媒２５の作用によって燃料改質または一酸化炭素を少なくさせた反応ガスを次の機器に供給する反応ガス排出装置３４を設けたものである。

ドレン排出装置３３は、例えば、電磁弁等のドレン弁３１とドレン配管３２とで構成し、ドレン配管３２を容器本体２４の底板と同一平坦面上に接続させている。

また、反応ガス排出装置３４は、容器本体２４の底板から嵩上げされた反応ガス排出管３５と山形状の天板３６とで構成し、ドレンを流入させない構成にしている。

このような構成を備える反応器において、反応ガス入口２２を介して空間２８ａに供給された反応ガスは、入口側目皿２６，２６の間を通って触媒２５に流れ、ここで触媒反応作用の下で、燃料改質または反応ガス（燃料ガス）に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素（ＣＯ_２）に変成させるとともに、変成させた二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む反応ガス（燃料ガス）を出口側目皿２７に向って流し、この間、反応ガスとドレンとを分離させ、分離させたドレンをドレン排出装置３３を介して系外ブローさせるとともに、反応ガスを反応ガス排出装置３４を介して次の反応器、例えば一酸化炭素選択酸化反応器に供給される。

その際、ドレン配管３２に設けた、例えば電磁弁等のドレン弁３１は、図５に示すように、プラントの運転状態に応じて「開」，「閉」が行われる。ここで、ドレン弁３１を、完全停止時、「開」としたのは、容器本体２４の底部に溜まったドレンを抜き出すためである。

また、ドレン弁３１を、起動状態、発電状態、停止状態のそれぞれで「閉」としたのは、反応ガスがドレン排出装置３３を伝わって系外に流出することを防止するためである。

このように、本実施形態は、反応器にドレン排出装置３３と反応ガス排出装置３４を設け、ドレンと反応ガスとを区分け、処理させ、ドレンによって反応ガスの流れを阻害させない構成にしたので、次の機器での触媒の活性能力を充分に発揮させ反応ガスのより効果的な改質または一酸化炭素除去を行わせることができる。

一般的な燃料電池システムを示す概略系統図。 本発明に係る燃料電池システムを説明する際に使用する燃料処理装置の概念図。 燃料処理装置に残留する残留ガスに水蒸気パージを実施した場合の改質器出口側でのガス分析結果を基に、二酸化炭素と水素とを比で示した排ガス燃焼範囲・排ガス組成線図。 本発明に係る燃料電池システムを説明する際に使用する反応器を示す概念図。 プラントの運転状態とドレン弁の開閉との関係を示す図。 従来の燃料電池システムの残留ガスの系外パージを示す概念図。

符号の説明

１ 燃料電池本体
２ 燃料改質器
３ パージ装置
４ ガス拡散電極
４ａ 燃料極
４ｂ 酸化剤
４ｃ 固体高分子膜
５ａ，５ｂ セパレータ
６ 不活性ガス供給装置
７ 不活性ガス弁
８ 燃料供給系統
９ 排気管
１１ 脱硫器
１２ 燃料電池本体
１３ 燃料処理装置
１５ 起動運転用燃料供給配管
１６ 通常運転用燃料供給配管
１７ 燃料ガス回収系統
１８ 改質器
１９ シフト反応器
２０ 一酸化炭素選択酸化反応器
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ 水蒸気導入配管
２１ｅ ドレン排出装置
２２ 反応ガス入口
２３ 反応ガス出口
２４ 容器本体
２５ 触媒
２６ 入口側目皿
２７ 出口側目皿
２８ 三方弁
３０ パージ管
３０ａ パージ弁
３１ ドレン弁
３２ ドレン管
３３ ドレン排出装置
３４ 反応ガス排出装置
３５ 反応ガス排出管
３６ 天板

Claims (10)

1. 原燃料を水素リッチな燃料に改質させる改質反応工程及び改質燃料に含まれる一酸化炭素の濃度を低くさせる反応工程を含む燃料処理系において、燃料処理運転終了後に前記燃料処理系に水蒸気を供給し、前記燃料処理系内の残留ガス及びドレンを系外パージさせることを特徴とする燃料電池システム。
2. 原燃料を水素リッチな燃料に改質させる改質器と、改質燃料に含まれる一酸化炭素の濃度を低くさせるシフト反応器と、さらに前記改質燃料に含まれる一酸化炭素の濃度をより一層低くさせる一酸化炭素選択酸化反応器とで構成することを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
3. 残留ガスを系外パージさせるための水蒸気は、水蒸気導入配管により供給されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 水蒸気導入配管は、改質器の入口側、改質器の出口側とシフト反応器の入口側との間、シフト反応器の出口側と一酸化炭素選択酸化反応器の入口側との間、一酸化炭素選択酸化反応器の出口側と燃料電池本体の入口側との間のうち、少なくともいずれか１つ以上に接続させたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 残留ガスを系外パージする際に生成されるドレンと運転中、反応器で改質される反応ガスとを区分け処理する手段のうち、ドレンを処理排出する手段は、改質器、シフト反応器および一酸化炭素選択酸化反応器のうち、少なくとも１つ以上の反応器に設けられ、ドレン弁とドレン管とを備えたドレン排出装置であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
6. ドレン排出装置のドレン管は、反応器の底部に接続させたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 残留ガスを系外パージする際に生成されるドレンと、運転中、反応器で改質される反応ガスとを区分け処理する排出手段のうち、反応ガスを処理排出する手段は、改質器、シフト反応器および一酸化炭素選択酸化反応器のそれぞれの反応器に設けられ、反応ガス排出管と天板とで構成した反応ガス排出装置であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
8. 反応ガス排出装置の反応ガス排出管は、反応器の底部から嵩上げして接続させたことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 反応ガス排出装置の天板は、山形形状に形成したことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
10. ドレン排出装置のドレン管の下方に電磁弁を設け、残留ガスパージ工程終了後、前記電磁弁を開くことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。

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