JP2006120522A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 アノード排ガス管路内に凝縮水が詰まることを防止するとともに、構成機器の高さ位置の自由度を向上させる。
【解決手段】 燃料電池３から排出される水素ガスを含むアノード排ガスを燃焼して炭化水素系の燃料と水蒸気を加熱する燃焼器５とを備えてなる燃料電池システムにおいて、燃料電池３から燃焼器５に至るアノード排ガス管路１９、２０の途中に、アノード排ガス中の凝縮水を分離する気水分離器２９を設け、燃料電池３から気水分離器２９までのアノード排ガス管路１９を流れ方向に下り勾配で形成することにより、気水分離器２９に流入したアノード排ガスは、ガス中の凝縮水が分離されて気水分離器の上部出口から排出され、アノード排ガスの流路が確保されるので流路の詰まりを回避できる。したがって、気水分離器２９の下流側の構成機器の高さ位置の自由度を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムを構成する改質器は、例えば、天然ガス、都市ガス、プロパンガス、メタノール、ナフサ、ガソリンなどの炭化水素系の燃料を水蒸気（Ｈ２Ｏ）で改質して水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に供給するようになっている。燃料電池は、水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とを電極反応させて直接電気エネルギを発生させるものである。この燃料電池から排出される未反応の水素を含むアノード排ガスは、燃焼器で燃焼され、燃料や水蒸気の加熱に利用される（例えば、特許文献１参照）。

このような改質ガスやアノード排ガスには、例えば、２０ないし３０％の水蒸気が含まれており、これらの水蒸気が凝縮してガス管路に詰まると、例えば、ガスの流れが妨げられたり、溜まった凝縮水が機器に押し出されて運転が不安定になったりする場合がある。そこで、特許文献１では、改質ガスやアノード排ガスのガス管路を下り勾配にすることにより、水蒸気が凝縮してもガス管路内に詰まらないようにしている。

特開２００２−２１６８２８号公報（第３−４頁、第３図参照）

しかし、特許文献１において、アノード排ガスの管路を下り勾配にするために、燃料電池と燃焼器の設定高さの関係が制約を受けるという問題がある。

本発明の課題は、アノード排ガス管路内に凝縮水が詰まることを防止するとともに、構成機器の設定高さの自由度を向上させることにある。

上記課題を解決するために、本発明は、炭化水素系の燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを含む改質ガスを発生する改質器と、この改質器から排出される改質ガスが供給され改質ガス中の水素ガスと酸素を反応させて発電する燃料電池と、この燃料電池から排出される水素ガスを含むアノード排ガスを燃焼する燃焼器とを備えてなる燃料電池システムにおいて、燃料電池から燃焼器に至るアノード排ガス管路の途中に、アノード排ガス中の凝縮水を分離する気水分離器を設け、燃料電池から気水分離器までのアノード排ガス管路を流れ方向に下り勾配で形成することを特徴とする。

このように構成することで、気水分離器に流入したアノード排ガスは、ガス中の凝縮水が分離されて気水分離器の上部出口から排出される一方、気水分離器を凝縮水が十分に溜まる容量にすることでアノード排ガスの流路が確保され流路の詰まりを回避できる。したがって、気水分離器の下流側の構成機器の設定高さの自由度を向上させることができる。

この場合において、気水分離器から燃焼器に至るアノード排ガスを改質器の熱によって加熱する構成にすれば、アノード排ガスを予熱して燃焼効率を向上できるだけでなく、燃焼器の入り部などにおける凝縮も防止できる。

ここで、燃料電池に流入する改質ガスまたは気水分離器に流入するアノード排ガスの少なくとも一方を冷却する冷却器を備えた構成とすることができる。これによれば、冷却器により改質ガス中またはアノード排ガス中の水分が凝縮され、この凝縮水が下り勾配の改質ガス管路またはアノード排ガス管路を介して気水分離器に導かれるので効果的に凝縮水を分離できる。

また、気水分離器により分離された凝縮水を抜き出す管路は、気水分離器の底部に連通した管路を設定水面高さまで立ち上げてから下方に折り曲げて形成することができる。これによれば、気水分離器内の水面が設定水面高さに維持されるので、気水分離器内のアノード排ガスが凝縮水を抜き出す管路から漏れ出すことを防止できる。

本発明によれば、アノード排ガスの管路内に凝縮水が詰まることを防止するとともに、構成機器の設定高さの自由度を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を説明する図である。図２は、燃料電池システムの具体的な構成例を説明する図であり、一部を断面にして示したものである。図３は、図２を側面（ＩＩＩ矢視）から見た断面図である。

本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、改質ガスを発生させる改質器１、改質器１で生じた改質ガスを燃料にして発電を行う固体高分子型の燃料電池３、および燃料電池３のアノード排ガスを燃焼する燃焼器５を備えて構成されている。改質器１と燃焼器５は、図２、３に示すように断熱材３５で覆われて一体に形成され、燃料電池３とともに筐体４内に格納されている。

改質器１は、図示を省略しているが、燃料、空気および水蒸気の供給ノズル、燃焼触媒層、および水素ガスを含む改質ガスを生成する改質触媒層を有している。この燃料としては、例えば、天然ガス、都市ガス（１３Ａ）、プロパンガス、メタノール、ナフサ、ガソリンなどの炭化水素系のものが用いられ、これらの燃料は、空気および水蒸気とともに供給ノズルに供給されるようになっている。

燃料、空気および水蒸気がノズルを介して改質器１の燃焼触媒層に流入すると、燃料の一部が空気で燃焼され（次式（１））、改質反応に必要な熱を供給する。

ＣＨ４＋２Ｏ２ → ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ （１）
式（１）の燃焼により加熱された燃料と水蒸気は、改質触媒層に流入して改質反応によりＣＯとＨ２に変換され（次式（２））、さらにＣＯは水蒸気と反応してＣＯ２と水素に変換される（次式（３））。

ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ←→ ＣＯ＋３Ｈ２ （２）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ ←→ ＣＯ２＋Ｈ２ （３）
改質器１から排出される改質ガスは、熱交換器１１によりＣＯシフト触媒の活性温度に冷却されてＣＯシフト触媒を有する変成器１３に供給される。ＣＯ変成器１３では、改質ガス中のＣＯがＣＯ２に変換される（次式（４））。

ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２ （４）
ＣＯ変成器１３から排出される改質ガスは、図示していない熱交換器によりＣＯ選択酸化器１５の活性温度に冷却されてＣＯ選択酸化器１５に流入される。ＣＯ選択酸化器１５では、改質ガス中のＣＯが酸化されてＣＯ２に変換される（次式（５））。このＣＯ変成器１３とＣＯ選択酸化器１５は、図２、３に示すように断熱材３５で覆われて改質器１および燃焼器５とともに一体に形成されている。

ＣＯ＋１／２Ｏ２ → ＣＯ２ （５）
ＣＯ選択酸化器１５から排出された改質ガスは、改質ガス管路１７を介して燃料電池３のアノード極に導かれて発電に利用される。通常、燃料電池３のアノード極におけるＨ２の利用率は約５０〜８５％であり、未反応の水素はアノード排ガスとして排出される。このアノード排ガスは後述するように燃焼器５で燃焼して燃料、空気および水蒸気の予熱に利用される。また、改質ガス管路１７には、図２、３に示すように２重管で構成された空気予熱器１８が設けられている。この空気予熱器１８は、改質ガス管路１７を通る改質ガスの熱で空気を加熱するものであり、空気予熱器１８によって加熱された空気は、例えば、燃料電池３のカソード極に供給される。また、改質ガスには、例えば水分が２０〜３０％含まれていることから、それらの水分が凝縮して管路を詰まらせるのを防止するために、改質ガス管路１７はガス流れ方向に下り勾配で形成されている。

また、燃料電池３では電極反応の際に生じた熱で温水が生成され、この温水は貯留槽２１に供給される。貯湯槽２１内の温水は、追焚給湯器２３に抜き出されて再度加熱されて給湯などに利用される。一方、貯湯槽２１内の水蒸気や一部の温水は、熱交換器１１に導かれ改質ガスとの熱交換により加熱される。熱交換器１１から排出される水蒸気は、燃焼器５の燃焼ガスによって加熱され、管路９を介して改質器１の供給ノズルに供給される。また、燃料は、燃料供給装置２５から供給され、燃焼器５で加熱された後に管路７を介して供給ノズルに供給される。空気は、空気供給装置２７から供給され、燃焼器５で加熱された後に管路８を介して供給ノズルに供給される。

次に、本実施形態の特徴構成ついて説明する。燃料電池３は、アノード排ガスの排出口がアノード排ガス管路１９を介して気水分離器２９に連結されている。気水分離器２９は筒状縦型に形成され、筒胴部にガス入口が形成されている。このガス入口にはアノード排ガス管路１９の下端が連結されている。気水分離器２９内のガス入口部には、じゃま板２４が設けられている。このじゃま板２４には、アノード排ガス管路１９を介して流入するアノード排ガスが当たるようになっている。アノード排ガスには、水分が２０〜３０％含まれていることから、これらの水分が凝縮して管路を詰まらせることを防止するために、アノード排ガス管路１９はガス流れ方向に下り勾配で形成されている。アノード排ガス管路１９は、図２、３に示すように、例えば、管路の途中から折り返して２段に構成されている。各段には２重管で構成された冷却器２２が設けられている。冷却器２２は、管路内を通るアノード排ガスを水で冷却するように構成されている。なお、冷却器２２を通流した水は、例えば、追焚給湯器２３に供給されるようになっている。

一方、気水分離器２９は、ガス入口よりも上部にガス出口を有し、このガス出口にアノード排ガス管路２０が連結されている。このアノード排ガス管路２０の途中には熱交換器２４が設けられている。熱交換器２４は、伝熱管を改質器１の壁に、例えば、蛇行させて這わせたものであり、改質器１の熱でアノード排ガス管路２０内のアノード排ガスを加熱できるようになっている。このアノード排ガス管路２０は、例えば、２本分岐してそれぞれ流れ方向に下り勾配で形成されている。各アノード排ガス管路２０の下端は、改質器１の下側に配置された燃焼器５に連結されている。

気水分離器２９の底部には液出口が形成され、この液出口に凝縮水を抜き出す排水管３１が連結されている。排水管３１は、気水分離器２９の設定水面高さまで立ち上げてから下方に折り曲げて形成されている。排水管３１にはバルブ３３が設けられ、抜き出される凝縮水の量が調整可能になっている。なお、気水分離器２９の設定水面をガス入口よりも低く設定することで、気水分離器２９に流入するガスの流れを妨げないようにしている。

このように構成することで、アノード排ガスは、燃料電池３からアノード排ガス管路１９を介して気水分離器２９に流入し、ガス中の水分が分離されて気水分離器２９のガス出口からアノード排ガス管路２０を介して排出される。これにより、搬送ミスト最小の状態のアノード排ガスを燃焼器５に供給することができる。したがって、気水分離器２９から燃焼器５に至る間のアノード排ガス管路２０を下り勾配にするなどの制約がなくなり、燃焼器５の高さ位置を自由に設定できる。

また、本実施形態によれば、熱交換器２４によって気水分離器２９から燃焼器５に至るアノード排ガスを加熱できるから、アノード排ガスの燃焼効率を向上できるとともに、気水分離器２９の下流側での凝縮も防止できる。しかし、アノード排ガス管路２０をガス流れ方向に下り勾配で形成すれば、たとえ凝縮水が生じたとしてもアノード排ガス管路２０の詰まりを防止できる。

また、気水分離器２９の凝縮水を抜き出す排水管３１は、気水分離器２９の設定水面高さまで立ち上げてから下方に折り曲げて形成されているので、気水分離器２９内の水面が設定水面高さに維持される。これにより、気水分離器２９内のアノード排ガスが配水管３１を介して外部に漏れ出すのを水封できる。なお、図４に示すように、気水分離器２９内の設定水面高さの水頭ヘッドｈにより気水分離器２９内のアノード排ガスの圧力が決まる。

本実施形態では、気水分離器２９として筒状縦型の容器を用いたが、これに代えて周知のアキュムレータやオイルセパレータなどに利用されている気液分離器を用いることができる。また、本実施形態では、改質器１、燃焼器５、ＣＯ変成器１３、ＣＯ選択酸化器１５を一体構成としたが、これに限らず別構成とすることもできる。さらに、アノード排ガス管路１９を折り返して２段としたが、ガス流れ方向に下向きに勾配が形成されていればこれに限らない。また、本実施形態では、改質ガス管路１７、およびアノード排ガス管路１９、２０は、例えば、下向きに５°以上の勾配で形成することが好ましい。

本発明の燃料電池システムの一実施形態を説明する図である。 燃料電池システムの具体的な構成例を説明する図であり、一部を断面にして説明したものである。 図２を側面（ＩＩＩ矢視）から見た断面図である。 気水分離器を説明する図である。

符号の説明

１ 改質器
３ 燃料電池
５ 燃焼器
１３ ＣＯ変成器
１５ ＣＯ選択酸化器
１７ 改質ガス管路
１９、２０ アノード排ガス管路
２９ 気水分離器
３１ 排水管

Claims (4)

1. 炭化水素系の燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを含む改質ガスを発生する改質器と、この改質器から排出される前記改質ガスが供給され前記改質ガス中の前記水素ガスと酸素を反応させて発電する燃料電池と、この燃料電池から排出される前記水素ガスを含むアノード排ガスを燃焼する燃焼器とを備え、
   前記燃料電池から前記燃焼器に至る前記アノード排ガス管路の途中に、前記アノード排ガス中の凝縮水を分離する気水分離器を設け、前記燃料電池から前記気水分離器までの前記アノード排ガス管路を流れ方向に下り勾配で形成してなることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記気水分離器から前記燃焼器に至る前記アノード排ガスを加熱する熱交換器を前記改質器に設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池に流入する前記改質ガスまたは前記気水分離器に流入する前記アノード排ガスの少なくとも一方を冷却する冷却器を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記気水分離器により分離された前記凝縮水を抜き出す管路は、前記気水分離器の底部に連通した管路を設定水面高さまで立ち上げてから下方に折り曲げて形成してなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
   

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