JP2006210131A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で選択酸化部に供給する酸素量と改質ガスに混入する酸素量とを調整して燃料電池の性能の低下を抑制した燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】 炭化水素系燃料ｈを改質して一酸化炭素が含まれた混合改質ガスｒを生成する改質部２１と混合改質ガスｒ中の一酸化炭素濃度を低減して改質ガスｇを生成する選択酸化部２３とを有する燃料処理装置２と、改質ガスｇを導入して発電する燃料電池３と、改質ガスｇを燃料電池３に導く改質ガスライン１６と、酸素含有ガスｋを圧送する圧送機３３と、酸素含有ガスｋから分流された第１の酸素含有ガスｋ１を選択酸化部２３に送る選択酸化ガス供給ライン１２と、酸素含有ガスｋから分流された第２の酸素含有ガスｋ２を改質ガスライン１６に導き、第２の酸素含有ガスｋ２の流量が第１の酸素含有ガスｋ１の流量に対して予め所定の比率の流量となるように調整する流量調整機構５１を有するブリードガス供給ライン１８とを備える燃料電池発電システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池発電システムに関し、特に簡単な構成で選択酸化部に供給する酸素量と改質ガスに混入する酸素量とを調整して燃料電池の性能の低下を抑制した燃料電池発電システムに関するものである。

近年の地球環境保全意識の高まりを背景に、二酸化炭素排出抑制に資する燃料電池で発電する燃料電池発電システムが注目を集めている。燃料電池発電システムとして、水素と酸素とを導入してこれらの電気化学的反応により発電する燃料電池と、炭化水素系燃料を導入してこれを改質し燃料電池に供給するための改質ガスを生成する燃料処理装置とを備えたものが知られている。燃料電池は電気化学的反応を促進させるための触媒を有しており、この触媒は一酸化炭素により被毒する性質を有していることが多い。そのため、燃料処理装置では、炭化水素系の燃料を改質した後、これに含まれる一酸化炭素濃度を低減するため、空気を導入して一酸化炭素と反応させて、一酸化炭素濃度が低減した改質ガスを生成し、燃料電池へ供給するのが一般的である。ただ、一酸化炭素濃度が低減した改質ガスを燃料電池へ供給しても、燃料電池の触媒と改質ガスに含まれる二酸化炭素とが逆シフト反応を起こして一酸化炭素が発生し、この一酸化炭素により燃料電池の触媒が被毒して燃料電池の性能が低下することがあった。この逆シフト反応に起因する燃料電池の性能低下を避けるため、改質ガスに微量の空気を混入し、逆シフト反応により発生した一酸化炭素を燃料電池の触媒で燃焼処理して触媒の被毒を回避する方法がある。

従来の燃料電池発電システムは、燃料処理装置に導入する空気を導く選択酸化空気供給ラインと、改質ガスに混入する微量の空気を導くブリード空気供給ラインとを備えており、それぞれのラインに制御弁とブロワを設けていた（特許文献１参照）。また、燃料処理装置に導入する空気及び改質ガスに混入する空気は適切な量に調整する必要があるため、制御弁として、流量計と流量制御弁を兼ねるマスフローコントローラが用いられていた。
特開２００４−２０７１３５号公報

しかし、マスフローコントローラは、高価であるためコストが増大すると共に外形寸法が大きいため大きな設置スペースが必要であった。また、ブロワを各ラインに別々に設けると、コスト増、スペース増に加えて騒音が大きくなるという問題があった。

本発明は上述の課題に鑑み、簡単な構成で、選択酸化部に供給する酸素量と改質ガスに混入する酸素量とを調整して、燃料電池の性能の低下を抑制した燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、炭化水素系燃料ｈを導入して水素に富む改質ガスｇを生成する燃料処理装置２であって、炭化水素系燃料ｈを改質して一酸化炭素を含み水素に富む混合改質ガスｒを生成する改質部２１と、混合改質ガスｒに含まれる一酸化炭素濃度を低減して改質ガスｇを生成する選択酸化部２３とを有する燃料処理装置２と；改質ガスｇを導入して発電する燃料電池３と；燃料処理装置２で生成された改質ガスｇを燃料電池３に導く改質ガスライン１６と；酸素含有ガスｋを圧送する圧送機３３と；圧送機３３で圧送される酸素含有ガスｋから分流された第１の酸素含有ガスｋ１と第２の酸素含有ガスｋ２のうち第１の酸素含有ガスｋ１を選択酸化部２３に送る選択酸化ガス供給ライン１２と；第２の酸素含有ガスｋ２を改質ガスライン１６に導くブリードガス供給ライン１８であって、第２の酸素含有ガスｋ２の流量が第１の酸素含有ガスｋ１の流量に対して予め所定の比率の流量となるように調整する流量調整機構５１を有するブリードガス供給ライン１８とを備える。

このように構成すると、圧送機で圧送される酸素含有ガスから分流された第１の酸素含有ガスと第２の酸素含有ガスのうち第１の酸素含有ガスを選択酸化部に送る選択酸化ガス供給ラインと、第２の酸素含有ガスを改質ガスラインに導くブリードガス供給ラインとを備えるので、１台の圧送機で酸素含有ガスを選択酸化部と改質ガスラインとに供給することができる。また、第２の酸素含有ガスの流量が第１の酸素含有ガスの流量に対して予め所定の比率の流量となるように調整する流量調整機構を有するブリードガス供給ラインを備えるので、適切な流量の酸素含有ガスを改質ガスラインに供給することができる。

また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池発電システム１において、流量調整機構５１が固定オリフィスである。

このように構成すると、より簡単な構成で、第２の酸素含有ガスの流量を、第１の酸素含有ガスの流量に対して予め所定の比率の流量となるように調整することができる。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム１において、選択酸化ガス供給ライン１２は、第１の酸素含有ガスｋ１の流れを止める閉止手段３４と第１の酸素含有ガスｋ１の流量を計測する流量計測手段４８とを有する。

このように構成すると、第１の酸素含有ガスの流れを止める閉止手段を有するので、装置が故障したときに燃料ガスが外部に漏れることを防ぐことができ、また、第１の酸素含有ガスの流量を計測する流量計測手段を有するので、選択酸化部に導く第１の酸素含有ガスの流量が適切か否かを確認することができる。

また、請求項４に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム１において、圧送機３３の吸込み側に活性炭フィルタ５６を備えている。

このように構成すると、圧送機の吸込み側に活性炭フィルタを備えているので、選択酸化部と改質ガスラインとに供給する酸素含有ガスに不純物が含まれている場合に不純物の系内への持ち込みを抑制することができる。

本発明によれば、第１の酸素含有ガスの流量に対する所定の比率の流量の第２の酸素含有ガスを改質ガスラインに導くブリードガス供給ラインを備えるので、１台の圧送機で適切な量の酸素含有ガスを選択酸化部と改質ガスラインとに供給することができ、簡単な構成で、選択酸化部に供給する酸素量と改質ガスに混入する酸素量とを調整して、燃料電池の性能の低下を抑制した燃料電池発電システムとなる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムついて説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。また、図１中、破線は制御信号を表す。

図１を参照して、まず、燃料電池発電システム１の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム１を説明するブロック図である。燃料電池発電システム１は、燃料処理装置２と、燃料電池３と、制御装置４とを備えている。また、燃料処理装置２には、燃料供給ライン１１と、選択酸化ガス供給ライン１２と、プロセス水供給ライン１３とが接続されている。燃料処理装置２と燃料電池３との間には、これらを結ぶ改質ガスライン１６が設けられている。燃料電池３には、酸化剤ガスライン１９が接続されている。選択酸化ガス供給ライン１２は酸素含有ガスライン１０から分岐されている。また、酸素含有ガスライン１０からは、選択酸化ガス供給ライン１２とは別のブリードガス供給ライン１８が分岐されており、改質ガスライン１６に接続されている。

燃料処理装置２は、炭化水素系の燃料ｈとプロセス水ｐとを導入し、燃料ｈを改質して水素に富む改質ガスｇを生成する装置である。水素に富む改質ガスｇとは、水素を４０体積％以上、典型的には７５体積％程度含んだ、燃料電池３に供給するガスである。燃料処理装置２は、改質部２１と、変成部２２と、選択酸化部２３と、水蒸気発生部２４と、バーナー部２５とを有している。ここで、燃料処理装置２を構成するこれらの各部について説明する。

改質部２１は、燃料ｈと改質用蒸気ｓとを導入し、水蒸気改質反応により、燃料ｈを混合改質ガスｒに改質するように構成されている。混合改質ガスｒは、水素と、一酸化炭素と、二酸化炭素を含んでいる。混合改質ガスｒ中には、典型的には、水素が４０体積％以上で７０体積％程度含まれており、一酸化炭素が１０体積％程度含まれている。改質部２１には改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒には、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質部２１で生成された混合改質ガスｒが変成部２２に送られるように、改質部２１と変成部２２とは接続されている。なお、以下の説明において「接続され」とは、流路等を介して接続される場合も含む。他方、改質部２１には、燃料ｈを導入する燃料供給ライン１１が接続されている。

変成部２２は、改質部２１から混合改質ガスｒを導入し、混合改質ガスｒに含まれる一酸化炭素を、同じく混合改質ガスｒに含まれる水分と変成反応させて、二酸化炭素と水素とを生成するように構成されている。変成部２２には、変成触媒が充填されており、変成反応を促進させるように構成されている。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。変成部２２で変成された混合改質ガスｒが選択酸化部２３に送られるように、変成部２２と選択酸化部２３とは接続されている。

選択酸化部２３は、変成部２２から変成された混合改質ガスｒを導入し、系外から第１の酸素含有ガスｋ１を導入して、変成された混合改質ガスｒ中に残存した一酸化炭素と第１の酸素含有ガスｋ１との選択酸化反応により、変成された混合改質ガスｒからさらに一酸化炭素濃度を低減させ、水素に富む改質ガスｇを生成するように構成されている。改質ガスｇは、前述のように、水素を４０％以上、典型的には７５％程度含むガスである。改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度は、およそ１０ｐｐｍ以下程度である。選択酸化部２３には、選択酸化触媒が充填されている。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。選択酸化部２３には、第１の酸素含有ガスｋ１を導入するための選択酸化ガス供給ライン１２と、改質ガスｇを燃料電池３に送るための改質ガスライン１６とが接続されている。

水蒸気発生部２４は、プロセス水ｐを導入し、これを熱によって蒸発させて水蒸気を生成するように構成されている。プロセス水ｐを蒸発させるための熱には、変成部２２における変成反応の際に発生する熱や、選択酸化部２３における選択酸化反応の際に発生する熱を用いるのが好ましいが、別途バーナーや電気ヒータ等の加熱手段を設けてこれらから発生する熱を用いてもよい。水蒸気発生部２４には、系外からプロセス水ｐを導入するためのプロセス水供給ライン１３が接続されている。また、水蒸気発生部２４には、水蒸気発生部２４で生成された改質用蒸気ｓを改質部２１に送るための改質用蒸気供給ライン１５が接続されている。改質部２１側の改質用蒸気供給ライン１５は、改質部２１直近の燃料供給ライン１１に接続されていると、燃料ｈと改質用蒸気ｓとが混合された状態で改質部２１に導入されて好適である。しかしながら、改質用蒸気供給ライン１５が改質部２１に直接接続されていてもよい。

バーナー部２５は、燃料ｈの一部と燃焼用空気ｋ４とを導入し、燃料ｈを燃焼させて、改質部２１に供給する改質熱を生成するように構成されている。改質部２１における改質反応は吸熱反応であるため、改質部２１は改質熱を必要とする。バーナー部２５は、燃料ｈを燃焼するためのバーナーを有している。バーナー部２５は、燃料電池３から排出されるアノードオフガスｆａを導入して燃焼させることができるようにも構成されている。アノードオフガスｆａは、燃料電池３における電気化学的反応に使用されなかった水素を含んでいる。バーナー部２５は、典型的には、燃料電池発電システム１の起動時には燃料ｈを導入し、これを燃焼させて改質熱を発生させ、燃料電池３が運転されて燃料電池３からアノードオフガスｆａが排出されるようになるとアノードオフガスｆａを導入し、これを燃焼させて改質熱を発生させるように構成されている。バーナー部２５で燃焼した後に発生する燃焼排ガスｅは、燃焼排ガスライン２６を介してバーナー部２５から排出される。バーナー部２５には、燃料ｈを導入するための燃焼用ガス供給ライン１４、アノードオフガスｆａを導入するためのアノードオフガスライン１７、及び燃焼用空気ｋ４を導入するための燃焼空気ライン２７が接続されている。また、バーナー部２５には、燃焼排ガスｅを排出するための燃焼排ガスライン２６が接続されている。

改質部２１に導入される燃料ｈとしては、典型的には、都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス等の気体の炭化水素系燃料が用いられる。しかしながら、メタノール、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油等の液体の炭化水素系燃料を用いてもよい。燃料ｈとして液体の炭化水素系燃料を用いる場合は、改質部２１に導入する前に気化させることが好ましい。改質部２１に導入する燃料ｈとバーナー部２５に導入する燃料ｈとは同種のものでもよいし異なる種類のものでもよい。

ここまで、燃料処理装置２の構成を詳しく説明したが、再び、燃料電池発電システム１の構成の説明に戻る。

燃料電池３は、改質ガスｇと酸化剤ガスｋ３とを導入し、改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｋ３中の酸素との電気化学的反応により発電して水及び熱を発生するように構成されている。燃料電池３は、典型的には、固体高分子型燃料電池である。

図２（ａ）に示すように、燃料電池３は、セルＣＬが複数積層されて構成されている。セルＣＬが複数積層されたものをスタックと呼び、以降の説明では、これを「燃料電池スタック」と呼ぶこともある。また、図２（ｂ）に示すように、単一のセルＣＬは、固体高分子膜３０１を燃料極３０２と酸化剤極３０３とで挟み、これをさらにセパレータ３０４で挟んで構成されている。上述の改質ガスｇは燃料極３０２に導入され、酸化剤ガスｋ３は酸化剤極３０３に導入されるように構成されている。燃料電池３で発電された直流電力はパワーコンディショナー５に送電され、パワーコンディショナー５で交流電力に変換された後、系外の電力負荷に送電されるように構成されている。

燃料電池３に導入された改質ガスｇ及び酸化剤ガスｋ３は、そのすべてが電気化学的反応に使用されるのではなく、反応に使用されなかった改質ガスｇはアノードオフガスｆａとして燃料極から排出され、反応に使用されなかった酸化剤ガスｋ３はカソードオフガスｆｃとして空気極から排出される。

燃料電池３と燃料処理装置２の選択酸化部２３とは、改質ガスライン１６により接続されている。燃料電池３と燃料処理装置２のバーナー部２５とはアノードオフガスライン１７により接続されている。また、燃料電池３には、酸化剤ガスｋ３を導入するための酸化剤ガスライン１９が接続されている。また、燃料電池３には、カソードオフガスｆｃを排出するためのカソードオフガスライン２０が接続されている。さらに、燃料電池３には、電気化学的反応により発生した熱を除去するための冷却水ライン（不図示）が接続されている。

燃料供給ライン１１は、炭化水素系の燃料ｈを改質部２１に導く流路である。燃料供給ライン１１には、ブロワ３１が配設されている。ただし、燃料ｈが液体の場合は、ブロワ３１がポンプに置換される。ブロワ３１と改質部２１との間の燃料供給ライン１１には、マスフローコントローラ３２が配設されている。マスフローコントローラ３２は、流量計の機能と流量制御弁の機能を兼ね備えている。マスフローコントローラ３２と制御装置４との間には信号ケーブルが敷設されている。マスフローコントローラ３２は、その内部を通過する燃料ｈの流量を信号ｉ１として制御装置４に送信することができ、制御装置４から信号ｉ２を受信して弁開度を調整することができるように構成されている。

ブロワ３１とマスフローコントローラ３２との間の燃料供給ライン１１には、脱硫器５８が配設されている。脱硫器５８は、燃料ｈに含まれる硫黄化合物を吸着除去して、燃料処理装置２内の各触媒及び燃料電池３のセルの硫黄被毒を防ぐことができるように構成されている。脱硫器５８とマスフローコントローラ３２との間の燃料供給ライン１１からは、燃焼用ガス供給ライン１４が分岐している。燃焼用ガス供給ライン１４の他端は、バーナー部２５に接続されている。燃焼用ガス供給ライン１４には、マスフローコントローラ３８が配設されている。マスフローコントローラ３８と制御装置４との間には信号ケーブルが敷設されている。マスフローコントローラ３８は、その内部を通過する燃料ｈの流量を信号ｉ３として制御装置４に送信することができ、制御装置４から信号ｉ４を受信して弁開度を調整することができるように構成されている。

選択酸化ガス供給ライン１２は、系外から第１の酸素含有ガスｋ１を選択酸化部２３に導く流路である。第１の酸素含有ガスｋ１は、典型的には空気である。以降の説明では、第１の酸素含有ガスｋ１を選択酸化空気ｋ１と呼ぶこともある。選択酸化ガス供給ライン１２は酸素含有ガスライン１０から分岐されており、酸素含有ガスライン１０には、酸素含有ガスｋが流れる上流から下流に向かって、活性炭フィルタ５６と、圧送機３３と、流量計４８と、電磁開閉弁３４とがここに示した順序で配設されている。

活性炭フィルタ５６は、選択酸化空気ｋ１に含まれる不純物（ＮＯｘ、ＳＯｘ等）を吸着し、選択酸化空気ｋ１をろ過するように構成されている。活性炭フィルタ５６は、直方体形状のケース内に、活性炭シートが収容されて構成されている。活性炭シートは、繊維活性炭をシート状に加工して作られている。直方体形状のケース内に収容する活性炭は、シート状以外の、例えば粒状、未加工の繊維状であってもよい。ただし、吸着速度の観点から大きな幾何学表面積を有する、繊維活性炭をシート状に加工して作られた活性炭シートが好適である。ここで、「シート状」は繊維活性炭の織布若しくは不織布又はフェルト状のものも含まれる。さらに、活性炭シートは、プリーツ状に加工して、又は複数枚を重ねて直方体形状のケース内に収容されることが好ましい。

圧送機３３は、酸素含有ガスｋを圧送する機器であり、典型的にはブロワが用いられる。ただし、必要な静圧が低い場合は、ファンを用いてもよい。圧送機３３には動力ケーブル（不図示）が接続されており、圧送機３３は、受電する電力に応じて回転数が制御されるように構成されている。圧送機３３が受電する電力は、典型的には、制御装置４が不図示の電力盤に制御信号を送信して電力盤で調整されるが、便宜上、図１においては圧送機３３が制御装置４から信号ｉ５を受信するように表している。以降の説明においても、便宜上、圧送機３３と制御装置４との間で制御信号ｉ５の授受があるものとして説明する。

流量計４８は、選択酸化ガス供給ライン１２を流れる選択酸化空気ｋ１の流量を計測する機器である。流量計４８と制御装置４との間には信号ケーブルが敷設されており、流量計４８で計測した選択酸化空気ｋ１の流量を信号ｉ６として制御装置４に送信することができるように構成されている。また、電磁開閉弁３４は、選択酸化ガス供給ライン１２を流れる選択酸化空気ｋ１の流れを遮断する弁である。電磁開閉弁３４と制御装置４との間には信号ケーブルが敷設されており、制御装置４は、電磁開閉弁３４に信号ｉ７を送信して電磁開閉弁３４に開閉動作をさせることができるように構成されている。

ブリードガス供給ライン１８は、圧送機３３の下流側の酸素含有ガスライン１０から分岐している。なお、分岐部のすぐ上流側の酸素含有ガスライン１０には、逆止弁５９が配設されている。ブリードガス供給ライン１８は、第２の酸素含有ガスｋ２を改質ガスライン１６に導く流路である。第２の酸素含有ガスｋ２は、典型的には空気である。以降の説明では、第２の酸素含有ガスｋ２をブリード空気ｋ２と呼ぶこともある。改質ガスライン１６にブリード空気ｋ２を導入することで、後述する燃料電池３における逆シフト反応により発生した一酸化炭素を処理することが可能となる。このような趣旨から、ブリード空気ｋ２を、厳密に改質ガスライン１６に混入させるのではなく、改質ガスライン１６と燃料電池３との接続部近傍の燃料電池３に直接混入させてもよい。このように、改質ガスライン１６と燃料電池３との接続部近傍の燃料電池３に直接ブリード空気ｋ２を導入する場合も、ブリード空気（第２の酸素含有ガス）ｋ２を改質ガスライン１６に導びく、という概念に含まれることとする。ブリードガス供給ライン１８には、流量調整機構５１と、電磁開閉弁４２とが配設されている。

流量調整機構５１は、ブリード空気ｋ２の流量を、選択酸化空気ｋ１の流量に対して所定の比率の流量に調整する機器である。所定の比率として、ブリード空気ｋ２の流量が選択酸化空気ｋ１の１／６〜１／７程度となるようにするとよい。流量調整機構５１は、典型的には、固定オリフィスであるが、ベンチュリ管であってもよい。あるいは、手動のバルブ（流量を考慮するとニードルバルブが好ましい）として調整後にバルブのハンドルを取り外し、ブリード空気ｋ２の流量の比率を選択酸化空気ｋ１に対して固定するような機構であってもよい。なお、ブリードガス供給ライン１８の長さや単位摩擦抵抗、曲部抵抗等でブリード空気ｋ２を適切な流量にすることができる場合は、ブリードガス供給ライン１８が流量調整機構を兼ねることになる。

電磁開閉弁４２は、ブリードガス供給ライン１８を流れるブリード空気ｋ２の流れを遮断する弁である。電磁開閉弁４２と制御装置４との間には信号ケーブルが敷設されており、制御装置４は、電磁開閉弁４２に信号ｉ８を送信して電磁開閉弁４２に開閉動作をさせることができるように構成されている。

プロセス水供給ライン１３は、プロセス水ｐを水蒸気発生部２４に導く流路である。プロセス水供給ライン１３には、プロセス水ｐが流れる上流から下流に向かって、ポンプ３５と、プロセス水遮断弁３６とが配設されている。ポンプ３５はプロセス水ｐを水蒸気発生部２４に送水し、プロセス水遮断弁３６はプロセス水供給ライン１３を流れるプロセス水ｐを遮断することができるように構成されている。

改質ガスライン１６は、前述のように、選択酸化部２３で生成された改質ガスｇを燃料電池３へ導く流路である。改質ガスライン１６のブリードガス供給ライン１８との接続部５３より上流側には改質ガスライン三方弁６１が配設されている。改質ガスライン三方弁６１と制御装置４との間には信号ケーブルが敷設されている。改質ガスライン三方弁６１は、制御装置４から信号ｉ９を受信して、流路を切り換えることができるように構成されている。

アノードオフガスライン１７は、燃料電池３から排出されたアノードオフガスｆａをバーナー部２５へ導く流路である。アノードオフガスライン１７には、アノードオフガスライン遮断弁６２が配設されている。アノードオフガスライン遮断弁６２は、アノードオフガスライン１７を流れるアノードオフガスｆａを遮断することができるように構成されている。アノードオフガスライン遮断弁６２と制御装置４との間には信号ケーブルが敷設されており、制御装置４は、アノードオフガスライン遮断弁６２に信号ｉ１０を送信してアノードオフガスライン遮断弁６２に開閉動作をさせることができるように構成されている。アノードオフガス遮断弁６２より下流側のアノードオフガスライン１７には、バイパスライン６３が接続されている。バイパスライン６３の他端は、改質ガスライン三方弁６１に接続されている。

酸化剤ガスライン１９は、燃料電池３の酸化剤極に加湿器（不図示）で加湿された酸化剤ガスｋ３を導く流路である。酸化剤ガスｋ３は、典型的には空気である。酸化剤ガスライン１９には、酸化剤ガスｋ３が流れる上流から下流に向かって、ブロワ４３と、酸化剤ガス遮断弁４４とが配設されている。ブロワ４３は酸化剤ガスｋ３を燃料電池３に圧送し、酸化剤ガス遮断弁４４は酸化剤ガスライン１９を流れる酸化剤ガスｋ３を遮断することができるように構成されている。ブロワ４３には動力ケーブル（不図示）が接続されており、ブロワ４３は、受電する電力に応じて回転数が制御されるように構成されている。ブロワ４３が受電する電力は、典型的には、制御装置４が不図示の電力盤に制御信号を送信して電力盤で調整されるが、便宜上、図１においてはブロワ４３が制御装置４から信号ｉ１１を受信するように表している。以降の説明においても、便宜上、ブロワ４３と制御装置４との間で制御信号ｉ１１の授受があるものとして説明する。

引き続き図１を参照して、燃料電池発電システム１の作用を説明する。
燃料電池発電システム１の起動時に、ブロワ３１が起動すると、燃料ｈは、まず、燃料供給ライン１１の脱硫器５８に導入される。燃料ｈは、脱硫器５８で硫黄化合物が吸着除去される。脱硫された燃料ｈは、燃料供給ライン１１内を改質部２１に向かって流れると共に燃焼用ガス供給ライン１４内をバーナー部２５に向かって流れる。起動時、マスフローコントローラ３２は制御装置４からの信号ｉ２を受信して弁が閉になっており、マスフローコントローラ３８は制御装置４からの信号ｉ４を受信して弁が開になっている。したがって、起動直後は、バーナー部２５のみに燃料ｈが供給される。

バーナー部２５に燃料ｈと燃焼用空気ｋ４が導入されると、バーナーが点火し、燃料ｈが燃やされて発熱する。バーナー部２５で改質熱が生成されるようになると、制御装置４からマスフローコントローラ３２に信号ｉ２が送信され、マスフローコントローラ３２の弁が開き、燃料ｈが改質部２１に導入される。この一方で、ポンプ３５が起動し、水蒸気発生部２４にプロセス水ｐが導入される。プロセス水ｐは、水蒸気発生部２４にて受熱し気化して改質用蒸気ｓとなる。起動時は、変成部２２及び選択酸化部２３からの発熱がないので、水蒸気発生部２４に備えられた加熱装置にて、プロセス水ｐを気化するための気化熱が生成される。水蒸気発生部２４で生成された改質用蒸気ｓは、改質部２１に導入される。

改質部２１に燃料ｈと改質用蒸気ｓとが導入されると、改質部２１ではバーナー部２５から改質熱を得て以下の（１）式に示すような水蒸気改質反応が行なわれ、混合改質ガスｒが生成される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（１）
なお、本実施の形態では、燃料ｈにメタンを使用している。また、水蒸気改質反応の際、改質部２１の温度は、約５５０〜８００℃に達する。混合改質ガスｒには、水素が７０体積％程度、一酸化炭素が１０体積％程度、その他上記（１）式に示していないガスが含まれている。

改質部２１で生成された混合改質ガスｒは、その後変成部２２に送られ、以下の（２）式に示すような水蒸気との変成反応が行なわれて、混合改質ガスｒ中の一酸化炭素濃度が低減される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（２）
変成反応の際、変成部２２の温度は、約１６０℃〜２８０℃となっている。変成反応は発熱反応であり、変成反応によって発生した熱は水蒸気発生部２４に供給される。変成部２２での発熱でプロセス水ｐの気化熱を賄うことができる場合は、水蒸気発生部２４の加熱手段が停止され、賄うことができない場合は、加熱手段も併用される。変成部２２における変成反応により、混合改質ガスｒ中の一酸化炭素濃度は、５０００〜１００００ｐｐｍ程度にまで低減される。

変成部２２で変成された混合改質ガスｒは、その後選択酸化部２３に送られる。選択酸化部２３には、混合改質ガスｒの他に、選択酸化ガス供給ライン１２を介して選択酸化空気ｋ１が導入され、以下の（３）式に示すような選択酸化反応が行なわれて、混合改質ガスｒ中の一酸化炭素濃度がさらに低減された、改質ガスｇが生成される。
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２ ・・・（３）
選択酸化反応の際、選択酸化部２３の温度は、約１００℃〜２５０℃となっている。選択酸化部２３における選択酸化反応により、改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度は、１０ｐｐｍ以下程度となる。選択酸化部２３で生成された改質ガスｇは、燃料電池３へ向けて、改質ガスライン１６を流れていく。

選択酸化部２３に導入される選択酸化空気ｋ１は、活性炭フィルタ５６にて浄化された空気であり、圧送機３３にて導入される。選択酸化部２３に導入される選択酸化空気ｋ１は、流量計４８で流量が計測されている。流量計４８で計測された選択酸化空気ｋ１の流量は、信号ｉ６として制御装置４へ送信され、流量が適切か否かが判断される。選択酸化部２３へ導入される選択酸化空気ｋ１の流量が適切か否かは、改質部２１に導入される燃料ｈの流量に基いて判断される。改質部２１に導入される燃料ｈの流量は、マスフローコントローラ３２によって計測され、制御装置４に信号ｉ１として送信されている。制御装置４は、改質部２１に導入された燃料ｈの流量から、燃料処理装置２において改質ガスｇが生成される転換率を想定して算出し、生成される改質ガスｇに対して流量計４８で計測された選択酸化空気ｋ１の流量が適切か否かを判断して、選択酸化空気ｋ１の流量が適切となるように、圧送機３３に信号ｉ５を送信して圧送機３３の回転数を制御する。これにより、選択酸化部２３に適切な流量の選択酸化空気ｋ１が供給される。選択酸化部２３に導入される選択酸化空気ｋ１の流量は、典型的には、改質ガスｇの流量の２〜１０体積％であるが、下限を好ましくは２．５体積％、より好ましくは３体積％とし、上限を好ましくは６体積％、より好ましくは５体積％とするように調整される。

圧送機３３によって圧送される空気は、逆止弁５９の下流で分流し、ブリード空気ｋ２としてブリードガス供給ライン１８を流れる。ブリード空気ｋ２は、固定オリフィス５１及び電磁開閉弁４２を通過した後、改質ガスライン１６に流入する。改質ガスライン１６に流入するブリード空気ｋ２は、固定オリフィス５１によって、前述のように、選択酸化空気ｋ１の流量の１／６〜１／７程度の流量に調整される。つまり、改質ガスライン１６に流入するブリード空気ｋ２の流量は、典型的には、改質ガスｇの流量に対して０．３〜１．５体積％であるが、下限を好ましくは０．４体積％、より好ましくは０．５体積％とし、上限を好ましくは１．０体積％、より好ましくは０．８体積％とするように調整される。

改質ガスｇが燃料電池３に供給されないときは、電磁開閉弁４２が閉となり、ブリード空気ｋ２は、改質ガスライン１６に流入しない。燃料電池発電システム１の起動時は、燃料処理装置２で生成される改質ガスｇの組成が安定していないので、そのような改質ガスｇを燃料電池３に導入しない。制御装置４は、改質ガスライン三方弁６１に信号ｉ９を送信し、組成が安定していない改質ガスｇが燃料電池３をバイパスしてバイパスライン６３に流れるように改質ガスライン三方弁６１の弁を切り換える。その際、制御装置４は、電磁開閉弁４２に信号ｉ８を送信して電磁開閉弁４２を閉とし、改質ガスライン１６にブリード空気ｋ２が流入しないようにしている。また、制御装置４は、アノードオフガスライン遮断弁６２に信号ｉ１０を送信してアノードオフガスライン遮断弁６２を閉とし、燃料電池３に組成の安定していない改質ガスｇが流入しないようにしている。組成が安定していない改質ガスｇは、バイパスライン６３を通ってバーナー部２５に導かれ、バーナー部２５で燃焼されて改質熱を発生させる。

燃料処理装置２で生成される改質ガスｇの組成が安定するようになると、制御装置４は、改質ガスライン三方弁６１に信号ｉ９を送信し、改質ガスｇが燃料電池３に導入されるように改質ガスライン三方弁６１の弁を切り換える。これにより、燃料電池３の燃料極に改質ガスｇが導入される。他方、制御装置４は、ブロワ４３に信号ｉ１１を送信してブロワ４３を起動させる。これにより、燃料電池３の酸化剤極に、加湿された酸化剤ガスｋ３が導入される。ブロワ４３は、制御装置４からの信号ｉ１１により適宜回転数が調整され、燃料電池３に導入される改質ガスｇの流量に応じた流量の酸化剤ガスｋ３を燃料電池３の酸化剤極に圧送する。

燃料電池３では、燃料極に導入された改質ガスｇ中の水素と、酸化剤極に導入された酸化剤ガスｋ３中の酸素とによる電気化学的反応が行なわれる。電気化学的反応は、燃料極側では以下の（４）式に示す反応が行なわれ、酸化剤極側では以下の（５）式に示す反応が行なわれる。
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ ・・・（４）
Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（５）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、燃料極側の電子が外部電気回路を通って酸化剤極側に移動する際に電力を得ることができる。燃料極側の水素イオンは固体高分子膜を通過して酸化剤極側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。この電気化学的反応は発熱反応である。

燃料電池３の電極触媒は、一酸化炭素により被毒するため、燃料処理装置２にて改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度を低減させた訳であるが、燃料電池３の燃料極触媒と改質ガスｇ中の二酸化炭素とが逆シフト反応を起こし、微量の一酸化炭素が生成される。逆シフト反応により一酸化炭素が生成されると、電極触媒が一酸化炭素により徐々に被毒し、燃料電池３の性能が低下することとなる。制御装置４は、改質ガスｇが燃料電池３に導入されるようになると、電磁開閉弁４２に信号ｉ８を送信して電磁開閉弁４２を開にし、改質ガスライン１６にブリード空気ｋ２を導入させる。改質ガスライン１６にブリード空気ｋ２を導入し、電極において発生した一酸化炭素とブリード空気ｋ２とを電極上の触媒で燃焼処理することにより、電極触媒の一酸化炭素による被毒を回避している。

燃料電池３で発電された電力は直流電力であり、パワーコンディショナー５に送電されて交流電力に変換された後に、系外の電力負荷に送電されて消費される。また、燃料電池３に導入された改質ガスｇのうち電気化学的反応に使用されなかったガスは、アノードオフガスｆａとして燃料電池３から排出される。アノードオフガスｆａは水素を含んでおり、アノードオフガスライン１７を通ってバーナー部２５に導入され、そこで燃焼されて改質熱を発生させる。他方、燃料電池３に導入された酸化剤ガスｋ３のうち電気化学的反応に使用されなかったガス及び電気化学的反応により発生した水分（水蒸気）は、カソードオフガスｆｃとして燃料電池３から排出される。カソードオフガスｆｃは、必要に応じて熱回収がされた後、系外に排出される。

なお、圧送機３３の故障時は、制御装置４から電磁開閉弁３４に信号ｉ７が送信され、電磁開閉弁３４が閉となる。選択酸化空気ｋ１が供給されない混合改質ガスｒは、高濃度の一酸化炭素を含んでいるが、電磁開閉弁３４が閉となることにより、高濃度の一酸化炭素を含んだ混合改質ガスｒが系外に漏洩することが防止される。

以上のように、本発明によれば、簡単な構成で性能の低下を抑制した燃料電池発電システム１を提供することができる。本発明者らは、選択酸化部２３に導入する選択酸化空気ｋ１の流量と改質ガスライン１６に導入するブリード空気ｋ２の流量とがほぼ一定の割合であり、改質部２１に導入する燃料ｈの流量の変動により選択酸化部２３に導入する選択酸化空気ｋ１の流量が変動すると、必要なブリード空気ｋ２の流量もほぼ一定の比率で変動することを見出し、本発明を完成するに至ったのである。本発明によれば、簡単な構成で、選択酸化部２３に導入する選択酸化空気ｋ１及び改質ガスライン１６に導入するブリード空気ｋ２の流量の比率を調整することができる。

以上の説明では、燃料処理装置２は変成部２２を有することとして説明したが（段落００１７）、選択酸化部２３だけで改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度を所定の濃度まで低減することができるときは、変成部２２を設けなくてもよい。変成部２２を設けなければ、燃料処理装置２をコンパクトにできる。

以上の説明では、燃料電池３は固体高分子型燃料電池として説明したが（段落００２５）、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。

本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムを説明する模式的ブロック図である。 燃料電池発電システムを構成する燃料電池の構成を説明する模式的斜視図である。（ａ）は燃料電池スタックの構成を、（ｂ）は単一のセルの構成を示している。

符号の説明

１ 燃料電池発電システム
２ 燃料処理装置
３ 燃料電池
１２ 選択酸化ガス供給ライン
１６ 改質ガスライン
１８ ブリードガス供給ライン
２１ 改質部
２３ 選択酸化部
３３ 圧送機
３４ 閉止手段
４８ 流量計測手段
５１ 流量調整機構
５６ 活性炭フィルタ
ｇ 改質ガス
ｈ 燃料
ｋ 酸素含有ガス
ｋ１ 第１の酸素含有ガス
ｋ２ 第２の酸素含有ガス
ｒ 混合改質ガス

Claims (4)

1. 炭化水素系燃料を導入して水素に富む改質ガスを生成する燃料処理装置であって、該炭化水素系燃料を改質して一酸化炭素を含み水素に富む混合改質ガスを生成する改質部と、該混合改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度を低減して前記改質ガスを生成する選択酸化部とを有する燃料処理装置と；
   前記改質ガスを導入して発電する燃料電池と；
   前記燃料処理装置で生成された改質ガスを前記燃料電池に導く改質ガスラインと；
   酸素含有ガスを圧送する圧送機と；
   前記圧送機で圧送される酸素含有ガスから分流された第１の酸素含有ガスと第２の酸素含有ガスのうち前記第１の酸素含有ガスを前記選択酸化部に送る選択酸化ガス供給ラインと；
   前記第２の酸素含有ガスを前記改質ガスラインに導くブリードガス供給ラインであって、前記第２の酸素含有ガスの流量が前記第１の酸素含有ガスの流量に対して予め所定の比率の流量となるように調整する流量調整機構を有するブリードガス供給ラインとを備える；
   燃料電池発電システム。
2. 前記流量調整機構が固定オリフィスである；
   請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記選択酸化ガス供給ラインが、前記第１の酸素含有ガスの流れを止める閉止手段と前記第１の酸素含有ガスの流量を計測する流量計測手段とを有する；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記圧送機の吸込み側に活性炭フィルタを備える；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
   

Images