JP2007087781A - 燃料電池発電システムのアノードのパージ方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡易な構成で窒素ボンベ等の不活性ガス供給装置が不要となる燃料電池システムのアノードのパージ方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 水と燃料炭化水素を改質反応させて少なくとも水素、一酸化炭素および低級炭化水素を含有する水素リッチガスを生成する改質部と、この水素リッチガス中の一酸化炭素を酸素で酸化させて除去するCO選択酸化器と、この一酸化炭素が除去された水素リッチガスがアノードに供給されて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムのアノードのパージ方法であって、CO選択酸化器で水素リッチガス中の水素および燃料電池の性能を低下させる成分を酸素で酸化させて除去したガスを生成させて、このガスをアノードに流通させることを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】 水と燃料炭化水素を改質反応させて少なくとも水素、一酸化炭素および低級炭化水素を含有する水素リッチガスを生成する改質部と、この水素リッチガス中の一酸化炭素を酸素で酸化させて除去するCO選択酸化器と、この一酸化炭素が除去された水素リッチガスがアノードに供給されて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムのアノードのパージ方法であって、CO選択酸化器で水素リッチガス中の水素および燃料電池の性能を低下させる成分を酸素で酸化させて除去したガスを生成させて、このガスをアノードに流通させることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、燃料電池発電システムのアノードのパージ方法に関し、特に燃料改質型の燃料電池システムのアノードのパージ方法に関する。
近年、燃料改質型の燃料電池システムが検討されている。従来の燃料改質型の燃料電池システム101の構成を図2のブロック図に示す。燃料改質型の燃料電池システム101では、まず改質器104で灯油等の炭化水素と水を改質して水素リッチガスを生成させる。この水素リッチガスに混入している一酸化炭素をシフト反応器105、CO選択酸化器106で除去した精製後の水素を、燃料電池スタック110のアノード111に供給し、カソード112に供給される酸素(空気)との電気化学反応により発電する。そして、外部負荷113へ電気を供給する。なお、発電に使用されなかった水素は、改質器104を加熱するバーナ108に送られ、燃焼される。
この燃料電池システム101を停止する時は、安全のため、燃料電池スタック110のアノード111に残留している水素を窒素ガスでパージする必要がある。
このため、窒素ボンベなどの窒素供給装置107を具備する必要があるが、例えば家庭用定置型分散発電や電気自動車用電源などの場合、大きなスペースが必要となるという不具合が生じ、また、窒素ボンベを定期的に交換、補充する必要が生じる。
このため、窒素ボンベなどの窒素供給装置107を具備する必要があるが、例えば家庭用定置型分散発電や電気自動車用電源などの場合、大きなスペースが必要となるという不具合が生じ、また、窒素ボンベを定期的に交換、補充する必要が生じる。
窒素供給装置107を不要にするための手段として、特許文献1には中空糸状の窒素分離膜を束ねてモジュール化した構成等の窒素分離発生装置により空気から分離された窒素を用いて系内をパージする燃料電池システムが開示されている。
特開2002−110207号公報(段落0037、図1)
特許文献1によれば、窒素分離発生装置によりパージに必要な窒素を得られるので、窒素ボンベの交換やタンクへの補給といった手間が省ける。しかし、新たに窒素分離発生装置を設ける必要があり、燃料電池システムの小型化や低コスト化の観点からは好ましくない。
本発明は、以上の点に鑑み、簡易な構成で窒素ボンベ等の不活性ガス供給装置が不要となる燃料電池システムのアノードのパージ方法を提供することを目的とする。
本発明は、以上の点に鑑み、簡易な構成で窒素ボンベ等の不活性ガス供給装置が不要となる燃料電池システムのアノードのパージ方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決した請求項1に記載の燃料電池システムのアノードのパージ方法は、水と燃料炭化水素を改質反応させて少なくとも水素、一酸化炭素および低級炭化水素を含有する水素リッチガスを生成する改質部と、この水素リッチガス中の一酸化炭素を酸素で酸化させて除去するCO選択酸化器と、この一酸化炭素が除去された水素リッチガスがアノードに供給されて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムのアノードのパージ方法であって、CO選択酸化器で、水素リッチガス中の水素および燃料電池の性能を低下させる成分を酸素で酸化させて除去したガスを生成させて、このガスを前記アノードに流通させることを特徴とする構成とした。
請求項1に記載の発明では、CO選択酸化器で水素と燃料電池の性能を低下させる成分を酸素で酸化させて除去したガスでアノードをパージするので、窒素でアノードをパージする必要がなくなり、不活性ガス供給装置が不要となる。また、既存のCO選択酸化器でアノードをパージするガスを生成させるので、新たな設備は不要であり、簡易な構成にすることができる。
請求項2に記載の燃料電池システムアノードのパージ方法は、CO選択酸化器に、水素リッチガス中の水素と一酸化炭素とを実質的に全部酸化させ、かつ、低級炭化水素の一部は酸化させない量の酸素を供給して生成したガスを前記アノードに流通させることを特徴とする構成とした。
請求項2に記載の発明によれば、CO選択酸化器で水素と燃料電池の性能を低下させる成分である一酸化炭素を酸素と反応させて除去することができる。一方、水素および一酸化炭素と反応しなかった余剰の酸素が残ることになる。この余剰の酸素も燃料電池の性能を低下させる成分であるが、酸素に対して過剰に存在する低級炭化水素と反応させて除去することができる。
なお、本発明において、CO選択酸化器で一酸化炭素を実質的に全部酸化させるとは、一酸化炭素の濃度を燃料電池の性能を低下させない濃度にすることをいい、水素を実質的に全部酸化させるとは、水素の濃度を安全上問題のない濃度にすることをいう。また、酸素を除去するとは、酸素の濃度を燃料電池の性能を低下させない濃度にすることをいう。
請求項3に記載の燃料電池システムのアノードのパージ方法は、改質反応における低級炭化水素の生成割合を増大させることを特徴とする構成とした。
請求項3に記載の発明によれば、改質型の燃料電池システムの改質反応における低級炭化水素の量が増えるので、この低級炭化水素により除去できる余剰の酸素の量も増加する。これにより、水素と一酸化炭素を酸化するためにCO選択酸化器に供給する酸素の供給量の選択範囲が広がるので、パージ操作が容易になる。別言すれば、CO選択酸化器に供給される水素と一酸化炭素の濃度が変動することにより余剰の酸素の量が変動したときでも、確実に低級炭化水素で酸素を除去することができ、アノードに酸素が進入することを確実に防止できる。
このような燃料電池システムによれば、簡易な構成で、窒素ボンベ等の不活性ガス供給装置が不要となる燃料電池システムを提供することが可能になる。
本実施形態に係る燃料電池システムのアノードのパージ方法について、図1の燃料電池システム10のブロック図を参照しながら説明する。ここでは、炭化水素として灯油を用い、改質反応で生成させた水素を燃料電池30のアノード31に供給して発電する燃料電池システム10を想定して説明する。
図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム10は、灯油を改質触媒により改質して水素リッチガスを生成させる改質部1と、この水素と空気中の酸素の電気化学反応により発電する燃料電池30を主要な構成機器とし、燃料電池システム10全体は図示しない制御装置で制御される。また、改質部1と燃料電池30の間には水素リッチガスに含まれる一酸化炭素(以下、CO)を除去するためのシフト反応器5およびCO選択酸化器6が設けられ、配管で接続されている。
以下、燃料電池システム10の各構成部について水素の流れに沿って説明する。
以下、燃料電池システム10の各構成部について水素の流れに沿って説明する。
まず、改質部1には、第1ポンプ21により水が、第2ポンプ22により灯油が供給される。水と灯油の供給量は図示しない流量計と制御装置により制御されている。
改質部1は、灯油と水を気化・蒸発させる蒸発器2、蒸発器2で生成した炭化水素と水の混合ガスを改質して水素リッチガスを生成させる改質器4、および蒸発器2と改質器4を加熱するための加熱器3で構成されている。
改質部1は、灯油と水を気化・蒸発させる蒸発器2、蒸発器2で生成した炭化水素と水の混合ガスを改質して水素リッチガスを生成させる改質器4、および蒸発器2と改質器4を加熱するための加熱器3で構成されている。
改質器4には改質触媒が充填されており、灯油と水を原料として(1)式に示す改質反応、(2)式のCO変成反応、および(3)式のメタン化反応が生じる。
CmHn+mH2O→mCO+(m+1/2n)H2 (1)式
CO+H2O→H2+CO2 (2)式
CO+3H2→CH4+H2O (3)式
CmHn+mH2O→mCO+(m+1/2n)H2 (1)式
CO+H2O→H2+CO2 (2)式
CO+3H2→CH4+H2O (3)式
これにより、水素が主成分で水蒸気と二酸化炭素、さらに少量の低級炭化水素とCOを含有する水素リッチガスを生成する。一般に、灯油等の脂肪族炭化水素を主成分とした炭化水素を改質したとき生成する低級炭化水素は主にメタンである。改質反応によって生成される炭化水素については、メタンの他に、エタン、プロパン、エチレンなど様々な低級炭化水素や反応途中(中間生成物)の高級炭化水素などが生成され、また未反応の燃料炭化水素が存在するが、それらは生成されるメタンに対して非常に微量なためそれら炭化水素の反応は本発明では考慮しない。また、吸熱反応である改質反応を継続させるために必要な熱エネルギは、加熱器3から供給される。
なお、改質反応に用いる炭化水素に特に制限は無く、灯油の他、LPG、天然ガス、ガソリン、ナフサ等の脂肪族炭化水素を主成分とするガス状または液状の炭化水素、あるいはメタノール、エタノール等を用いることができる。炭化水素中に硫黄等の燃料電池30における電気化学反応を阻害する不純物が混入している場合は脱硫処理等で除いておくことが望ましい。また改質触媒にも特に制限は無く、白金−アルミナ系、酸化クロム−アルミナ系の触媒等、公知の触媒を適宜選択して用いることができる。
蒸発器2では、灯油、および水を加熱・蒸発させて混合ガスとし、改質反応に必要な温度まで昇温する。このとき、灯油、および水をアトマイザ等で霧化してから加熱することもできる。また、加熱器3には空気と燃料を混合して燃焼させることができるバーナを使用することができる。この場合、蒸発器2と加熱器3を一体とした構成とすることができる。このような構成として例えば、特開2003−331882号公報に開示した燃料改質用バーナを用いることができる。
加熱器3で使用する燃料に特に制限は無い。灯油を用いることもできるし、あるいは燃料電池30のアノードオフガスや、重油等を使用することもできる。加熱器3には、第1ブロワ11から燃焼用空気が、第3ポンプ23から燃料として灯油が供給される。加熱器3への燃料と燃焼用空気の供給量は、改質器4の出口温度が設定温度に保たれるよう、制御装置によって第1ブロワ11と第3ポンプ23の吐出量が制御されている。
このように、蒸発器2へ供給される灯油と水の供給量、および加熱器3に供給される燃料と燃焼用の空気の供給量は図示しない制御装置によって制御されている。これにより、改質器4に供給される水と炭素のモル比(以下、S/Cと記す)を任意に調整することができるとともに、改質器4の改質温度を調整することができる。
後述するように、改質器4のS/Cと改質温度を調整すれば、改質器4で生成する水素リッチガスの組成を調整することができる。
後述するように、改質器4のS/Cと改質温度を調整すれば、改質器4で生成する水素リッチガスの組成を調整することができる。
前記のように、改質器4で生成した水素リッチガスにはCOが混入している。COは、燃料電池30における電気化学反応を阻害して発電効率を低下させたり触媒活性を低下させたりするため、シフト反応器5およびCO選択酸化器6を通過させて、COを水素リッチガスから除去する。
シフト反応器5は、改質器4の下流に配管を介して接続され、内部にシフト反応触媒が充填されている。そして(4)式に示すシフト反応により、水素リッチガス中のCOを水と反応させて、二酸化炭素と水素に変えることでCOを除去する。
CO+H2O→CO2+H2 (4)式
シフト反応触媒の種類には特に制限はなく、例えばCu−Zu系、又はFe−Cr系等の触媒を用いることができる。シフト反応は発熱反応であり、低温にする程水素の生成量が増加する。
CO+H2O→CO2+H2 (4)式
シフト反応触媒の種類には特に制限はなく、例えばCu−Zu系、又はFe−Cr系等の触媒を用いることができる。シフト反応は発熱反応であり、低温にする程水素の生成量が増加する。
シフト反応器5の下流に配管を介して設けられるCO選択酸化器6は、(5)式に示す反応に従ってCOを二酸化炭素にして除去する。
CO+1/2O2→CO2 (5)式
CO選択酸化触媒の種類には特に制限はなく、例えばPt−Al2O3系、Ru/−Al2O3系、Rh−Al2O3系やPt担持ゼオライト等の触媒を用いることができる。また、COの酸化に用いられる酸素には空気中の酸素が用いられ、吐出量が調整可能な第2ブロワ12から供給される。第2ブロワ12からCO選択酸化器6に供給する空気の量は、改質器4及びシフト反応器5の出口温度と、改質器4に投入される水と灯油の投入量とから算出されるCOの含有量に対して必要な酸素の量と、空気中の酸素濃度から算出することができる。
CO+1/2O2→CO2 (5)式
CO選択酸化触媒の種類には特に制限はなく、例えばPt−Al2O3系、Ru/−Al2O3系、Rh−Al2O3系やPt担持ゼオライト等の触媒を用いることができる。また、COの酸化に用いられる酸素には空気中の酸素が用いられ、吐出量が調整可能な第2ブロワ12から供給される。第2ブロワ12からCO選択酸化器6に供給する空気の量は、改質器4及びシフト反応器5の出口温度と、改質器4に投入される水と灯油の投入量とから算出されるCOの含有量に対して必要な酸素の量と、空気中の酸素濃度から算出することができる。
CO選択酸化器6でCOが除去された水素リッチガスは、燃料電池30のアノード31に供給される。燃料電池30では、アノード31に供給される水素と、カソード32に第3ブロワ13から供給される酸素(空気)との電気化学反応により発電が行なわれる。すなわち、アノード31で水素は触媒の作用により電子を失ってH+となり、高分子電解質膜33中を移動してカソードに達して、触媒の作用により電子を得ると共に酸素と結合し水を生じる。
ここで、H+が高分子電解質膜33中を移動するとき水が不可欠であるため、高分子電解質膜33を常に湿潤状態にしておく必要がある。なお、アノード31で発電に利用されなかった水素は、オフガスとして加熱器3に送られて焼却される。また、改質器4、シフト反応器5、CO選択酸化器6で生成されるガスはそれぞれ次の工程に進む前に図示しない熱交換部によって適切な温度に調整されるものである。
燃料電池30のアノード31にはPt−Ru合金触媒が用いられる。COはこのPt−Ru合金触媒に水素より先に吸着して電気化学反応を阻害し、燃料電池30の性能低下を引き起こす。また、酸素がアノード31に混入すると、クロスオーバ(ガスがカソード側の触媒層で反応することなく,高分子電解質膜33を透過してしまう現象)が生じたことと同様になり、燃料電池30の性能低下を引き起こす。
一方、COが除去された水素リッチガスに含有される二酸化炭素、およびメタン(低級炭化水素)は燃料電池30の触媒に対して不活性であるため、その性能を低下させない。
一方、COが除去された水素リッチガスに含有される二酸化炭素、およびメタン(低級炭化水素)は燃料電池30の触媒に対して不活性であるため、その性能を低下させない。
次に、CO選択酸化器6で、水素と燃料電池30の性能を低下させる成分とを除去したガスを生成させて、このガスで燃料電池システム10のアノード31をパージする方法について説明する。
アノード31のパージ用ガスは、燃料電池30の性能を低下させないこと、高分子電解質膜33を湿潤状態に保つことが必要である。すなわち、パージ用ガスは、燃料電池の性能を低下させる成分であるCO、酸素、および水素が除去されていることが必要である。
以下、改質器4とCO選択酸化器6におけるガス組成について説明する。
以下、改質器4とCO選択酸化器6におけるガス組成について説明する。
<改質器4におけるガス組成>
改質器4で生成する水素リッチガスの組成はS/C(原料の水と炭化水素のモル比)と、改質器4の出口温度および出口圧力とによって決まる。改質反応は吸熱反応なので、改質器4の出口温度を高くすると水素リッチガス中の水素の濃度は増加し、逆に、改質器4の出口温度を低くするとメタンと水の濃度が増加する。また、S/Cを下げるとメタンとCOの生成割合は増加し、水素の生成割合は減少するという関係にある。
すなわち、改質器4の出口温度とS/Cのいずれか一方、または両方を調整することにより水素リッチガス中の水素、メタンの濃度を調整できることになる。
改質器4で生成する水素リッチガスの組成はS/C(原料の水と炭化水素のモル比)と、改質器4の出口温度および出口圧力とによって決まる。改質反応は吸熱反応なので、改質器4の出口温度を高くすると水素リッチガス中の水素の濃度は増加し、逆に、改質器4の出口温度を低くするとメタンと水の濃度が増加する。また、S/Cを下げるとメタンとCOの生成割合は増加し、水素の生成割合は減少するという関係にある。
すなわち、改質器4の出口温度とS/Cのいずれか一方、または両方を調整することにより水素リッチガス中の水素、メタンの濃度を調整できることになる。
<CO選択酸化器6におけるガス組成>
CO選択酸化器6では、前記の(2)式に従ってCOを酸化させるほか、水素、メタンも酸素と反応させて酸化させることができる。
ところで、CO選択酸化器6においてCOに対して第2ブロワ12から化学量論量の酸素(空気)を供給したのでは、未反応のCOが残る。このため、COに化学量論量以上の酸素を供給することが一般に行なわれている。同様に、CO選択酸化器6で水素を酸化させる場合も、化学量論量以上の酸素を供給する必要がある。
CO選択酸化器6では、前記の(2)式に従ってCOを酸化させるほか、水素、メタンも酸素と反応させて酸化させることができる。
ところで、CO選択酸化器6においてCOに対して第2ブロワ12から化学量論量の酸素(空気)を供給したのでは、未反応のCOが残る。このため、COに化学量論量以上の酸素を供給することが一般に行なわれている。同様に、CO選択酸化器6で水素を酸化させる場合も、化学量論量以上の酸素を供給する必要がある。
従って、CO選択酸化器6において、水素リッチガス中のCOと水素に対して化学量論量以上の酸素を供給すれば、COと水素を酸化させて除去することができるが、反応後のガス中には、反応で消費されなかった余剰の酸素が残ることになる。
一方、前記のように、CO選択酸化器6ではメタンも酸化させることができるので、余剰の酸素に対してメタンの量が十分多ければ、余剰の酸素をメタンと反応させて除去することができる。
一方、前記のように、CO選択酸化器6ではメタンも酸化させることができるので、余剰の酸素に対してメタンの量が十分多ければ、余剰の酸素をメタンと反応させて除去することができる。
燃料電池システム10を停止する時に、まず、改質器4の出口温度とS/Cのどちらか一方、または両方を調整してメタン濃度の高い水素リッチガスを生成させ、さらに、シフト反応器5を経由してCO選択酸化器6に供給して酸化させる。これにより、水素リッチガス中の水素、COと酸素が除去されたガスを生成させることができる。そして、このガスをアノード31のパージガスに用いる。
CO選択酸化器6において、COを酸化させるために必要な酸素の化学量論量はCO選択酸化触媒の種類により異なるので、実験により求めておく必要がある。
<アノード31のパージ方法>
次に、燃料電池システム10を停止するときのアノード31のパージ方法について説明する。本実施形態では、燃料電池システム10の定常運転からアノード31のパージ操作までの間、常にCO選択酸化器6からアノード31を経て加熱器3にいたる経路にガスを流通させる場合を想定して説明する。
次に、燃料電池システム10を停止するときのアノード31のパージ方法について説明する。本実施形態では、燃料電池システム10の定常運転からアノード31のパージ操作までの間、常にCO選択酸化器6からアノード31を経て加熱器3にいたる経路にガスを流通させる場合を想定して説明する。
燃料電池システム10の通常運転中は、改質器4の出口温度は水素を多く生成させるために高温(例えば700℃)に設定し、S/CはCOの生成を抑制するために高い値(例えば3.5)に設定しておく。
また、アノード31をパージするときは、改質器4の出口温度はメタンを多く生成させるために低温(例えば500℃)に設定し、S/Cはメタンを多く生成させると共に水素の生成を抑制するために低い値(例えば2.0)に設定する。
また、アノード31をパージするときは、改質器4の出口温度はメタンを多く生成させるために低温(例えば500℃)に設定し、S/Cはメタンを多く生成させると共に水素の生成を抑制するために低い値(例えば2.0)に設定する。
アノード31をパージするときは、まず、燃料電池30から外部負荷34への電気の供給を停止する。次に、第1ポンプ21の流量を下げて蒸発器2への水の供給量を下げることにより、S/Cを例えば3.5から2.0に下げる。このとき同時に第2ポンプ22の流量を下げ、灯油と水の供給量も下げて、目標のS/Cに調整してもよい。ここで、灯油と水の供給量を下げることによりアノード31のパージ操作に必要な量だけを改質器4に供給することができ、また、CO選択酸化器6での反応量も減少するので、CO選択酸化器6の過熱を抑制することもできるものである。
S/Cを下げる操作と並行して、加熱器3への灯油と空気の供給量を減らして改質器4の出口温度を、例えば700℃から500℃に下げる。改質器4のS/Cと、出口温度を下げる操作により、水素リッチガス中のメタンの生成割合が増加する。加熱器3への灯油と空気の供給量の調整は、第3ポンプ23と第1ブロワ11の流量を調整することにより行なうことができる。
改質器4の出口温度とS/Cが目標に達するまでの移行期間中、改質器4から流出する水素リッチガスのガス組成は経時的に変化をする。移行期間中に生じうる水素リッチガス組成の例を表1に示す。表1では、改質器4のS/Cと出口温度をパラメータとして、シフト反応器5の出口温度を250℃とした場合のCO選択酸化器6の入口におけるガス組成を示している。
表1から分かるように、例えばS/C3.5、出口温度700℃の状態からS/C2.0、出口温度500℃へ変更する場合、移行期間中にCO選択酸化器6に流入するCO濃度は0.4vol%から最大2.9vol%に増加する可能性があり、このCOがアノード31に進入することを防止する必要がある。また、酸素がアノード31に進入することも防止する必要がある。一方、移行期間中、CO選択酸化器6の入口では水素は少なくとも31.5vol%は存在する。
そこで、移行期間中はCO選択酸化器6に、COに対する化学量論量以上で、かつ、水素に対する化学量論量以下の酸素(空気)を第2ブロワ12から供給する。上記の例では供給する酸素の量は1.45〜15.75vol%に相当する範囲内であり、例えば8vol%に相当する量の酸素を供給する。これにより、COを酸化して除去すると共に、酸素は水素と反応させて水として除去して、燃料電池30にCOと酸素を含有しないガスを供給することができる。
このように、移行期間中に生じうるCOの最大濃度と、水素の最小濃度を予め求めておき、この最大濃度のCOに対する化学量論量以上で、最小濃度の水素に対する化学量論量以下の酸素をCO選択酸化器6へ供給してCOを酸化して除去することにより、移行期間中にアノード31へCOと酸素が進入することを防止できる。
改質器4の出口温度とS/Cが目標値まで下がったら、アノード31のパージ操作を開始する。パージ操作は、改質器4及びシフト反応器5の出口温度と、改質器4に投入される水と灯油の投入量とから算出される水素リッチガス組成に対し、水素とCOとを全部酸化させ、かつ、メタンの一部は酸化させない量の酸素を供給することにより行なう。
すなわち、CO選択酸化器6に供給する酸素の量を、水素リッチガスに含まれる水素とCOの合計量に対する化学量論量以上とし、かつ、水素、COとメタンの合計量に対する化学量論量以下とする。なお、CO選択酸化器6の入口における水素リッチガスの組成は、予めサンプルを採取し、ガスクロマトグラフィー等で分析して求めておく。
これにより、CO選択酸化器6では、水素とCOが酸素により酸化されて除去される。また、水素とCOの酸化反応で消費されず余剰となった酸素も、メタンを酸化するために消費されて除去される。従って、CO選択酸化器6からは、燃料電池30の性能を低下させる成分であるCOと酸素、および水素が除去されたガス、すなわちパージガスが流出する。なお、COの濃度は、10ppm以下であれば実質的に燃料電池の性能を低下させない。
また、CO選択酸化器6では水素とCOの除去に空気中の酸素を利用しているので、パージガスには空気に由来する窒素が含有されている。以上の説明から分かるように、パージガスを構成する成分は、燃料電池30の性能を低下させないガスである窒素、メタン、二酸化炭素、水である。
ここで、前記CO選択酸化器6と燃料電池30のアノード31との間にはパージガス中の水を凝縮させる凝縮器41と、凝縮した水を排出するドレン管42とが設けられており、パージガス中の水蒸気が凝縮してアノード31に水が多量に浸入する場合には、パージガス中から余分な水を取り除いた上でアノード31に供給することができる。
アノード31のパージは、所定時間パージガスを流通させることで行なうことができる。パージガスを流通させる時間は、CO選択酸化器6からアノード31に至る配管の容積とパージガスの流量から決めることができる。あるいは、アノード31から流出するガス中の水素濃度を監視して、所定値以下になったらパージ操作を終了することもできる。または、燃料電池30の開放電圧が所定値まで低下したらパージ操作を終了することもできる。
パージ終了後のアノード31には、二酸化炭素、窒素、メタンと水蒸気(水)が保有されている。これらは燃料電池30の電気化学反応を阻害して性能を低下させることが無いので、従来のようにアノード31を窒素でパージする必要はない。従って、窒素ボンベ等の不活性ガス供給装置が不要となる。
また、燃料電池システム10に新たな装置を導入する必要はなく、簡易な構成で燃料電池30の性能を低下させないガスでアノード31をパージすることができる。
また、燃料電池システム10に新たな装置を導入する必要はなく、簡易な構成で燃料電池30の性能を低下させないガスでアノード31をパージすることができる。
以上のように、本実施形態によれば、簡易な構成で窒素ボンベ等の不活性ガス供給装置が不要となる燃料電池システム10を提供することができる。なお、パージ終了後のアノード31には水蒸気(水)が保有されているので、パージ操作中も燃料電池30の高分子電解質膜33を湿潤状態に保つことができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、ブロワが3台ある場合を想定して説明したが、例えば第1ブロワと第2ブロワを統合する等して、ブロワを2台または1台とすることもできる。
また、燃料電池システム10の定常運転からアノード31のパージ操作までの間、常にCO選択酸化器6からアノード31を経て加熱器3にいたる経路にガスを流通させている場合を想定して説明した。この変形例として、外部負荷34への電気の供給を停止した後、CO選択酸化器6とアノード31の間に設けられた三方弁35(図1参照)を加熱器3の側に向けてアノード31へガスが流入しないようにし、改質器4が所定のS/C、出口温度に達して所定の組成のパージガスが生成し始めたら、再度三方弁35をアノード31に向けてアノード31のパージを行なうこともできる。
以下、本発明の実施例を、図1を参照しながら説明する。本実施例は、通常運転中の改質器4のS/C=3.5、出口温度=700℃、アノード31のパージ中の改質器4のS/C=2.5、出口温度=550℃、シフト反応器5の出口温度=250℃として行なった。
燃料電池30から外部負荷34への電気の供給を停止し、次いで、第1ポンプ21と第2ポンプ22の流量を、流量計(図示せず)の出力値を制御装置(図示せず)で監視しながら、改質器4においてS/C=2.5となるように調整した。同時に、第3ポンプ23と第1ブロワ11の流量を低下させ、改質器4の出口温度を550℃に調整した。S/Cと改質器4の出口温度の両方が目標値まで下がるまでの間、予め求めておいたCO最大濃度(2.9vol%)と水素最小濃度(31.5vol%)に基づき、第2ブロワ12から8vol%に相当する量の酸素をCO選択酸化器6に供給した。
改質器4のS/Cと出口温度が目標に達した後、アノード31のパージ操作を開始した。パージ操作はCO選択酸化器6に供給する酸素の量を所定量まで増加させてパージガスを生成させ、所定時間アノード31にパージガスを流通させて行なった。本実施例では、CO選択酸化器6に供給する酸素の量は、COと水素に対しては化学量論量とし、メタンに対しては化学量論量の0.5倍とした(表2参照)。なお、CO選択酸化器6でパージガスを生成している間のシフト反応器5の出口温度は250℃に調整した。
本実施例におけるCO選択酸化器6の入口と出口のガス組成を表2に示す。CO選択酸化器6の出口組成はパージガス組成に相当する。
表2の第1欄はCO選択酸化器6の入口のガス組成、第2欄は水素リッチガスの各成分を酸化させる場合の化学量論量に基づく酸素の量、第3欄はCO選択酸化器6に実際に供給した酸素の供給量、第4欄はパージガス組成である。
表2の第1欄はCO選択酸化器6の入口のガス組成、第2欄は水素リッチガスの各成分を酸化させる場合の化学量論量に基づく酸素の量、第3欄はCO選択酸化器6に実際に供給した酸素の供給量、第4欄はパージガス組成である。
表2の第3欄と総O2量との対比で明らかなように、CO選択酸化器6には、COに対して大過剰の酸素を供給し、水素に対しては化学量論量の約1.4倍の酸素を供給していた。一方、CO選択酸化器6で、COと水素の酸化で消費されなかった余剰の酸素に対し、メタンは化学量論量の2倍の量存在していた。
そして、表2の第4欄に示すように、燃料電池の性能を低下させる成分を除去したガスを得た。このガスをパージガスに用いてアノード31を20分間パージした。なお、このパージ時間は燃料電池30の電荷が所定値以下になるまでの時間であればよく、実験的に求めた値を用いることができる。パージ操作が完了した後、三方弁35を切り替え、燃料電池30へのガスの供給を停止し、次に改質部1の運転を停止して燃料電池システム10を停止した。
1 改質部
2 蒸発器
3 加熱器
4 改質器
6 CO選択酸化器
10 燃料電池システム
30 燃料電池
31 アノード
2 蒸発器
3 加熱器
4 改質器
6 CO選択酸化器
10 燃料電池システム
30 燃料電池
31 アノード
Claims (3)
- 水と燃料炭化水素を改質反応させて少なくとも水素、一酸化炭素および低級炭化水素を含有する水素リッチガスを生成する改質部と、
この水素リッチガス中の前記一酸化炭素を酸素で酸化させて除去するCO選択酸化器と、
この一酸化炭素が除去された水素リッチガスがアノードに供給されて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムのアノードのパージ方法であって、
前記CO選択酸化器で、前記水素リッチガス中の水素および前記燃料電池の性能を低下させる成分を酸素で酸化させて除去したガスを生成させて、このガスを前記アノードに流通させることを特徴とする燃料電池システムのアノードのパージ方法。 - 前記CO選択酸化器に、前記水素リッチガス中の水素と前記一酸化炭素とを実質的に全部酸化させ、かつ、前記低級炭化水素の一部は酸化させない量の酸素を供給して生成したガスを前記アノードに流通させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムのアノードのパージ方法。
- 前記改質反応における低級炭化水素の生成割合を増大させることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システムのアノードのパージ方法。
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JP2012133916A (ja) * | 2010-12-20 | 2012-07-12 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池システム |
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-
2005
- 2005-09-22 JP JP2005275214A patent/JP2007087781A/ja active Pending
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