JP2006107957A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムから排出される二酸化炭素を抑制し、地球温暖化防止に貢献する燃料電池システムを得ることを目的とする。
【解決手段】原燃料を改質器を介して水素リッチガスへ変換した後に電池本体の燃料極へ供給する燃料電池システムにおいて、改質器プロセス入力に設けられ、上記改質器へ供給する燃料流量を調整するための第１の燃料流量制御弁と、改質バーナ入口に設けられ、上記改質器バーナへ供給する燃料流量を調整するための第２の燃料流量制御弁と、燃料電池本体の燃料極排燃料を冷却して二酸化炭素を液化して分離する冷却分離手段を備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原燃料を改質器を介して水素リッチガスへ変換した後に電池本体の燃料極へ供給する燃料電池システムに関する。

文明の発達に伴う化石燃料の消費量増大により、二酸化炭素排出量が増大して地球温暖化が進行している。現在、最も大きな二酸化炭素排出源のひとつである火力発電所において、排ガスから二酸化炭素を分離する努力がなされているが、排ガスから二酸化炭素を分離するために非常に大きな動力が必要とされ、経済性の観点から実用化されていない状況である。

例えば、燃焼排ガスから二酸化炭素を分離する方式として、排ガスを加圧してＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）により二酸化炭素を分離する提案がなされているが（非特許文献１参照）、現実には排ガスを加圧するために大きな動力が必要となり、所内動力が増大して経済性が成り立たないため実用化されていない。また、モノ・エタノールアミン（以下、ＭＥＡと言う）など吸収剤の温度による二酸化炭素吸収特性の違いを利用して、排ガス中の二酸化炭素をＭＥＡに吸収した後、その二酸化炭素を吸収したＭＥＡを加熱して吸収された二酸化炭素を分離する提案（非特許文献１参照）もなされているが、ＭＥＡの性能劣化や取り扱いの困難さによりこの方式も実用化されておらず、二酸化炭素削減の決め手となる方式がないのが現状である。

このような状況において、小型でも比較的高い発電性能が得られる燃料電池システムをオンサイト型コジェネレーションシステムとして工場などに導入することにより、従来火力発電所とほぼ同等な発電効率が得られ、かつ燃料電池から発電と同時に発生する排熱をオンサイトで有効に利用できる特長を生かして、原燃料である化石燃料の消費量を削減し、その結果として排ガスも削減して二酸化炭素排出量を低減することが可能となっている。現在は、りん酸形燃料電池システムを中心として各方面で実用化されている。

燃料電池システムは、都市ガスなどの炭化水素系燃料を改質して得られる水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電するものである。燃料電池は、電解質の種類により型式が分けられるが、実際に商用化されているのは、電解質にりん酸を用いたタイプの燃料電池であり主に業務用として活用されている。また最近では、電解質に固体高分子膜を用いたタイプの燃料電池を用いて、一般家庭用をターゲットにした開発が盛んに進められている。

このような燃料電池システムの構成例を図５に示す。

同図において、原燃料は、流量制御弁１を介して改質器２へ供給される。改質器２は、原燃料を水素リッチガス（高濃度の水素ガス）に改質するものであり、その水素リッチガスは、電池本体３の燃料極へと供給される。また、改質器２の排ガスは、後述のように凝縮器４へ供給される。

電池本体３には、空気極へ空気が供給されており、電池本体３は、燃料極に供給された水素リッチガス中の水素を消費して直流電力に変換し、その直流電力は、インバータ５を介して交流電源へと変換され、出力される。

また、電池本体３からの燃料極排燃料は、改質器２のバーナ２ａへ送られ、バーナ２ａで燃焼処理されるとともに、改質器２の改質反応の熱源となり熱回収される。バーナ２ａから排出された燃焼排ガスは、電池本体３の空気極排気と混合されて凝縮器４へ供給され、冷却されて凝縮水が回収されるとともに、残りが排ガスとして排出される。

また、温度計６は、改質器２の反応管（図示略）の温度を測定するものであり、その温度測定値は、制御装置７へ加えられている。また、電圧計８は、電池本体３の端子電圧を検出するものであり、その検出電圧値は、制御装置７へ加えられている。また、電流計９は、電池本体３の負荷電流を検出するものであり、その検出電流値は、制御装置７へ加えられている。

ここで、都市ガス配管から供給される原燃料は、改質に必要な水蒸気と混合された後、改質器２に供給されて、次の化学反応式で示される改質反応とシフト反応が同時に進行して水素リッチな改質ガスとなる。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋３Ｈ_２ （改質反応）

ＣＯ ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋ Ｈ_２ （シフト反応）

また、電池本体３の燃料極に供給された水素は約８０％が電池本体３で消費され、残りの２０％は改質器２のバーナ２ａに供給され、バーナ燃焼に必要な空気と混合されて燃焼し、凝縮器４を介して大気に放出されている。

また、制御装置７は、改質器２の温度測定値が、検出電流値により予め定められた制御設定値となるように、流量制御弁１の開度を制御信号ＳＳ１により調節するようにしていた。
ＮＥＤＯホームページ (http://www.nedo.go.jp/GET/project/pro03/1_02_05/1_02_05.html) （社）火力原子力発電技術協会会誌、2003年11月号24〜30頁

しかしながら、現状の燃料電池システムの構成では、燃料電池から排出される排燃料を改質器２のバーナ２ａで燃焼処理したのちに系外放出しているため、排ガス中に窒素が含まれており、従来火力発電所と同様に更なる二酸化炭素の削減には多大な努力が必要となっていた。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムから排出される二酸化炭素を抑制し、地球温暖化防止に貢献する燃料電池システムを得ることを目的とする。

本発明は、原燃料を改質器を介して水素リッチガスへ変換した後に電池本体の燃料極へ供給する燃料電池システムにおいて、改質器プロセス入力に設けられ、上記改質器へ供給する燃料流量を調整するための第１の燃料流量制御弁と、改質バーナ入口に設けられ、上記改質器バーナへ供給する燃料流量を調整するための第２の燃料流量制御弁と、燃料電池本体の燃料極排燃料を冷却して二酸化炭素を液化して分離する冷却分離手段を備えたものである。

また、前記第２の燃料流量制御弁は、前記改質器の反応管の温度が設定値となるように、その燃料流量が制御されるものである。

また、前記第１の燃料流量制御弁は、燃料電池本体の負荷電流値により電池本体内部の水素利用率が設定値となるように、その燃料流量が制御されるものである。

また、前記電池本体の燃料極排燃料を前記冷却分離手段の上流から分岐して、その一部を燃料極入口へ戻すブロワをさらに備えたものである。

また、前記ブロアの回転数は、燃料電池内部の水素利用率が７８％から８４％の間となるように制御されるものである。

また、前記電池本体の燃料極排燃料を前記冷却分離手段の下流のガス側から分岐して、その一部を燃料極入口へ戻すブロワをさらに備えたものである。

また、前記ブロアの回転数は、燃料電池内部の水素利用率が７８％から８４％の間となるように制御されるものである。

また、前記電池本体の燃料極排燃料の一部を回収してジメチルエーテルを合成する合成反応器をさらに備えたものである。

また、前記改質器バーナの排ガスにより前記電池本体の燃料極排燃料を加熱する熱交換器と、前記熱交換器の被加熱側出口に設置されたシフト反応器と、

前記改質器バーナの排ガスにより前記電池本体の燃料極排燃料を加熱する熱交換器と、前記熱交換器の被加熱側出口に設置されたシフト反応器と、前記シフト反応器の出口に設置されて混合ガス中の二酸化炭素と水蒸気（水）を分離するとともに、その混合ガスから取り出された一酸化炭素と水素を用いて、前記合成反応器の合成原料として供給する冷却分離手段をさらに備えたものである。

また、前記熱交換器の低温側に制御弁を介したバイパスラインと、前記シフト反応器の入口温度を測定するための温度計とをさらに備え、前記温度計の測定温度が３５０℃から４５０℃となるように上記制御弁が制御されるものである。

また、前記シフト反応器には、鉄系のシフト触媒が充填されているものである。

また、前記改質器の燃料流量を調節することにより水素利用率を変化させて、前記電池本体の燃料極排燃料の二酸化炭素と水素の混合割合を調節して、前記ジメチルエーテルの製造量を変化させるようにしたものである。

したがって、本発明によれば、燃料電池発電と同時に得られる二酸化炭素リッチな燃料極排ガスから二酸化炭素を冷却分離することにより、燃料電池システムから排出される二酸化炭素を抑制して、地球温暖化防止に貢献する燃料電池システムを提供することが可能となるという効果を得る。

また、燃料電池発電と同時に得られる燃料極排ガスから分離した二酸化炭素を利用して一酸化炭素と水素とを生成し、ＤＭＥの合成原料としているので、燃料電池システムから排出される二酸化炭素を抑制して、地球温暖化防止に貢献する燃料電池システムを提供することが可能となるという効果を得る。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例にかかる燃料電池システムの構成例を示している。なお、同図において、図５と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。

同図において、原燃料は、流量制御弁１を介して改質器２へ供給されるとともに、流量制御弁１０を介して、改質器２のバーナ２ａに燃料として供給されている。改質器２は、原燃料を水素リッチガス（高濃度の水素ガス）に改質するものであり、その水素リッチガスは、電池本体３の燃料極へと供給される。また、改質器２の排ガスは、後述のように凝縮器４へ供給される。

電池本体３には、空気極へ空気が供給されており、電池本体３は、燃料極に供給された水素リッチガス中の水素を消費して直流電力に変換し、その直流電力は、インバータ５を介して交流電源へと変換され、出力される。

また、電池本体３からの燃料極排燃料は、熱交換器１１へ送られ、この熱交換器１１により冷却され、分離器１２に送られる。分離器１２では、液化した二酸化炭素と水素を分離して、それぞれ回収される。

また、温度計６は、改質器２の反応管（図示略）の温度を測定するものであり、その温度測定値は、制御装置７へ加えられている。また、電圧計８は、電池本体３の端子電圧を検出するものであり、その検出電圧値は、制御装置７へ加えられている。また、電流計９は、電池本体３の負荷電流を検出するものであり、その検出電流値は、制御装置７へ加えられている。

ここで、制御装置７は、温度計６の温度測定値が所定値となるように、バーナ２ａに燃料を供給する流量制御弁１０の流量を制御信号ＳＳ２により調整する。また、制御装置７は、温度計６の温度測定値が、検出電流値により予め定められた制御設定値となるように、流量制御弁１の開度を制御信号ＳＳ１により調節する。

したがって、本実施例では、原燃料を改質器２のバーナ２ａの燃料として供給しているため、バーナ２ａの排気ガスに二酸化炭素が混入するものの、原燃料の発熱量は、従来装置でバーナ２ａの燃料として用いていた電池本体３の燃料極排燃料のほぼ１０倍であるために、従来装置に比べて、排気ガス中に混入する二酸化炭素の量を１／１０程度に低下することができる。

さらに、分離器１２で分抽出した水素をバーナ２ａに供給することにより、排ガス中の二酸化炭素の量を、さらに大幅に低減することができることとなる。

このようにして、本実施例によれば、燃料電池システムから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素の量を大幅に低減することができ、その結果、地球温暖化防止に貢献する燃料電池システムを実現することができる。

図２は、本発明の他の実施例にかかる燃料電池システムの構成例を示している。なお、同図において、図１および図５と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。

同図において、原燃料は、流量制御弁１を介して改質器２へ供給されるとともに、流量制御弁１０を介して、改質器２のバーナ２ａに燃料として供給されている。改質器２は、原燃料を水素リッチガス（高濃度の水素ガス）に改質するものであり、その水素リッチガスは、電池本体３の燃料極へと供給される。また、改質器２の排ガスは、後述のように凝縮器４へ供給される。

電池本体３には、空気極へ空気が供給されており、電池本体３は、燃料極に供給された水素リッチガス中の水素を消費して直流電力に変換し、その直流電力は、インバータ５を介して交流電源へと変換され、出力される。

また、電池本体３からの燃料極排燃料は、熱交換器１１へ送られるとともに、リサイクルブロア１３によりその一部が電池本体３の燃料極へと戻される。また、熱交換器１１に送られた燃料極排燃料は、熱交換器１１により冷却され、分離器１２に送られる。分離器１２では、液化した二酸化炭素と水素を分離して、それぞれ回収される。

また、温度計６は、改質器２の反応管（図示略）の温度を測定するものであり、その温度測定値は、制御装置７へ加えられている。また、電圧計８は、電池本体３の端子電圧を検出するものであり、その検出電圧値は、制御装置７へ加えられている。また、電流計９は、電池本体３の負荷電流を検出するものであり、その検出電流値は、制御装置７へ加えられている。

ここで、制御装置７は、温度計６の温度測定値が所定値となるように、バーナ２ａに燃料を供給する流量制御弁１０の流量を制御信号ＳＳ２により調整する。また、制御装置７は、温度計６の温度測定値が、検出電流値により予め定められた制御設定値となるように、流量制御弁１の開度を制御信号ＳＳ１により調節する。さらに、制御装置７は、電流計９の検出電流値から、電池本体３の内部での水素利用率が７８〜８４％（好ましくは、８０％程度）となるように、リサイクルブロア１３の回転数（風量）を制御信号ＳＳ３により調整する。

したがって、リサイクルブロア１３でリサイクルされるシステムの外側での水素利用率を、例えば、９０％一定となるように極力高めて制御することができ、それにより、分離すべき二酸化炭素の流量を極力小さくすることができ、その結果、燃料電池システムから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素の量を大幅に低減することができ、地球温暖化防止に貢献する燃料電池システムを実現することができる。

図３は、本発明のさらに他の実施例にかかる燃料電池システムの構成例を示している。なお、同図において、図２と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。

同図において、原燃料は、流量制御弁１を介して改質器２へ供給されるとともに、流量制御弁１０を介して、改質器２のバーナ２ａに燃料として供給されている。改質器２は、原燃料を水素リッチガス（高濃度の水素ガス）に改質するものであり、その水素リッチガスは、電池本体３の燃料極へと供給される。また、改質器２の排ガスは、後述のように凝縮器４へ供給される。

電池本体３には、空気極へ空気が供給されており、電池本体３は、燃料極に供給された水素リッチガス中の水素を消費して直流電力に変換し、その直流電力は、インバータ５を介して交流電源へと変換され、出力される。

また、電池本体３からの燃料極排燃料は、熱交換器１１へ送られ、この熱交換器１１により冷却され、分離器１２に送られる。分離器１２では、液化した二酸化炭素と水素を分離して、それぞれ回収されるとともに、分離された水素ガスは、リサイクルブロア１３によりその一部が電池本体３の燃料極へと戻される。

また、温度計６は、改質器２の反応管（図示略）の温度を測定するものであり、その温度測定値は、制御装置７へ加えられている。また、電圧計８は、電池本体３の端子電圧を検出するものであり、その検出電圧値は、制御装置７へ加えられている。また、電流計９は、電池本体３の負荷電流を検出するものであり、その検出電流値は、制御装置７へ加えられている。

ここで、制御装置７は、温度計６の温度測定値が所定値となるように、バーナ２ａに燃料を供給する流量制御弁１０の流量を制御信号ＳＳ２により調整する。また、制御装置７は、温度計６の温度測定値が、検出電流値により予め定められた制御設定値となるように、流量制御弁１の開度を制御信号ＳＳ１により調節する。さらに、制御装置７は、電流計９の検出電流値から、電池本体３の内部での水素利用率が７８〜８４％（好ましくは、８０％程度）となるように、リサイクルブロア１３の回転数（風量）を制御信号ＳＳ３により調整する。

また、本実施例では、分離器１２で分離された水素ガスを電池本体３の燃料極へリサイクルするので、図２に示した実施例に比べて、リサイクルブロア１３でリサイクルされる水素量をより低減した場合でも、水素利用率を８０％程度に設定することができる。

図４は、本発明の別な実施例にかかる燃料電池システムの構成例を示している。なお、同図において、図１と同一部分および相当する部分には、同一符号を付している。

同図において、原燃料は、流量制御弁１を介して改質器２へ供給されるとともに、流量制御弁１０を介して、改質器２のバーナ２ａに燃料として供給されている。改質器２は、原燃料を水素リッチガス（高濃度の水素ガス）に改質するものであり、その水素リッチガスは、電池本体３の燃料極へと供給される。また、改質器２の排ガスは、熱源（高温側）として熱交換器１５へ供給され、この熱交換器１５で電池本体３の燃料極排燃料を加熱した後に、凝縮器４へ供給される。

電池本体３には、空気極へ空気が供給されており、電池本体３は、燃料極に供給された水素リッチガス中の水素を消費して直流電力に変換し、その直流電力は、インバータ５を介して交流電源へと変換され、出力される。

また、電池本体３からの燃料極排燃料は、熱交換器１５へ送られ、この熱交換器１１により加熱された後、シフト反応器１６へ送られる。シフト反応器１６は、例えば鉄形のシフト反応触媒が充填されており、次の化学反応式で示される逆シフト反応が進行して一酸化炭素が生成される。

ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ （逆シフト反応）

シフト反応器１６を出た混合ガスは、熱交換器１７により冷却されて水と二酸化炭素が液化されて、分離器１８により液化された水と二酸化炭素が分離され、分離された二酸化炭素は回収される。一方、ガス側は一酸化炭素と水素と水（水蒸気）との混合ガスとなり、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）合成のための合成反応器１９へ供給される。この合成反応器１９により合成されたＤＭＥは、回収される。

また、温度計６は、改質器２の反応管（図示略）の温度を測定するものであり、その温度測定値は、制御装置７へ加えられている。また、電圧計８は、電池本体３の端子電圧を検出するものであり、その検出電圧値は、制御装置７へ加えられている。また、電流計９は、電池本体３の負荷電流を検出するものであり、その検出電流値は、制御装置７へ加えられている。また、温度計２０は、シフト反応器１６の入口温度を検出するものであり、その測定温度値は、制御装置７へ加えられている。

ここで、制御装置７は、温度計６の温度測定値が所定値となるように、バーナ２ａに燃料を供給する流量制御弁１０の流量を制御信号ＳＳ２により調整する。また、制御装置７は、温度計６の温度測定値が、検出電流値により予め定められた制御設定値となるように、流量制御弁１の開度を制御信号ＳＳ１により調節する。また、制御装置７は、温度計２０の温度測定値が所定値（４００℃程度）となるように、熱交換器１５の低温側のガスをバイパスする制御弁２１の開閉を、制御信号ＳＳ４により調整する。

ここで、エネルギー資源を輸入に頼る我が国において、ＤＭＥは、将来の化石燃料代替を目標に官民一体となって開発が進められており、民生用燃料（ＬＰＧ代替）、輸送用燃料（ディーゼル自動車燃料）、発電用燃料（火力発電所）など幅広い利用が見込まれている。

ＤＭＥの合成反応は、次の一連の化学反応式で表される。

３ＣＯ＋３Ｈ_２→ＣＨ_３ＯＣＨ_３＋ＣＯ_２

２ＣＯ＋４Ｈ_２→ＣＨ_３ＯＣＨ_３＋Ｈ_２Ｏ

２ＣＯ＋４Ｈ_２→２ＣＨ_３ＯＣＨ_３

２ＣＨ_３ＯＣＨ_３→ＣＨ_３ＯＣＨ_３＋Ｈ_２Ｏ

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２

上記の通り、ＤＭＥ合成には一酸化炭素と水素が必要となり、燃料電池システムの排燃料を利用することにより、原料を供給することが可能となる。

なお、ＤＭＥの合成反応に関しては、反応器１９の構成を含めて上掲した非特許文献２に詳しく説明されているため、その詳細説明は割愛する。

本発明の一実施例にかかる燃料電池システムの構成例を示したブロック図。 本発明の他の実施例にかかる燃料電池システムの構成例を示したブロック図。 本発明のさらに他の実施例にかかる燃料電池システムの構成例を示したブロック図。 本発明の別な実施例にかかる燃料電池システムの構成例を示したブロック図。 燃料電池システムの構成例（従来例）を示したブロック図。

符号の説明

１，１０ 流量制御弁
２ 改質器
２ａ バーナ
３ 電池本体
４ 凝縮器
５ インバータ
６，２０ 温度計
７ 制御装置
８ 電圧計
９ 電流計
１１，１５，１７ 熱交換器
１２，１８ 分離器
１３ リサイクルブロア
１６ シフト反応器
１９ 合成反応器

Claims (12)

1. 原燃料を改質器を介して水素リッチガスへ変換した後に電池本体の燃料極へ供給する燃料電池システムにおいて、
   改質器プロセス入力に設けられ、上記改質器へ供給する燃料流量を調整するための第１の燃料流量制御弁と、
   改質バーナ入口に設けられ、上記改質器バーナへ供給する燃料流量を調整するための第２の燃料流量制御弁と、
   燃料電池本体の燃料極排燃料を冷却して二酸化炭素を液化して分離する冷却分離手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第２の燃料流量制御弁は、前記改質器の反応管の温度が設定値となるように、その燃料流量が制御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。
3. 前記第１の燃料流量制御弁は、燃料電池本体の負荷電流値により電池本体内部の水素利用率が設定値となるように、その燃料流量が制御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. 前記電池本体の燃料極排燃料を前記冷却分離手段の上流から分岐して、その一部を燃料極入口へ戻すブロワをさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記ブロアの回転数は、燃料電池内部の水素利用率が７８％から８４％の間となるように制御されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記電池本体の燃料極排燃料を前記冷却分離手段の下流のガス側から分岐して、その一部を燃料極入口へ戻すブロワをさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載の燃料電池システム。
7. 前記ブロアの回転数は、燃料電池内部の水素利用率が７８％から８４％の間となるように制御されることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記電池本体の燃料極排燃料の一部を回収してジメチルエーテルを合成する合成反応器をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記改質器バーナの排ガスにより前記電池本体の燃料極排燃料を加熱する熱交換器と、
   前記熱交換器の被加熱側出口に設置されたシフト反応器と、
   前記シフト反応器の出口に設置されて混合ガス中の二酸化炭素と水蒸気（水）を分離するとともに、その混合ガスから取り出された一酸化炭素と水素を用いて、前記合成反応器の合成原料として供給する冷却分離手段をさらに備えたことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
10. 前記熱交換器の低温側に制御弁を介したバイパスラインと、
    前記シフト反応器の入口温度を測定するための温度計とをさらに備え、
    前記温度計の測定温度が３５０℃から４５０℃となるように上記制御弁が制御されることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
11. 前記シフト反応器には、鉄系のシフト触媒が充填されていることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
12. 前記改質器の燃料流量を調節することにより水素利用率を変化させて、前記電池本体の燃料極排燃料の二酸化炭素と水素の混合割合を調節して、前記ジメチルエーテルの製造量を変化させることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。

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