JP2007141693A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時に燃焼が不安定になり、燃焼排ガス中の一酸化炭素の排出量が増加することや、燃焼しなかった燃料成分を排出する問題点を改善する。さらに、運転停止時には触媒の温度の低下を促し、触媒の劣化を抑制する。
【解決手段】改質器の燃焼排ガスを加熱媒体とする熱交換器を有する燃料電池発電装置において、該熱交換器を経由する通常時燃焼排ガス流路と、該熱交換器を経由しない移行時燃焼排ガス流路と、該通常時燃焼排ガス流路および該移行時燃焼排ガス流路を切替える燃焼排ガス流路切替え手段とを備える。さらに、本装置は、起動から一定時間、もしくは、燃焼排ガス温度が設定温度に達するまでの間、前記移行時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを通流させ、それ以降は前記通常時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを通流させるように前記燃焼排ガス流路切替え手段を制御する制御部を備えることが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタンガス等の炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質器、およびこの改質器を備えた燃料電池発電装置に関する。

従来の燃料電池発電装置について図３を用いて説明する。水素を発生させる方法として、改質触媒の存在下で炭化水素系燃料に水蒸気と熱を加えて水素を発生させる方法が知られている。前記炭化水素系燃料の一例としては、メタンガスを主成分とした都市ガスが挙げられる。一般に、水を蒸発させて前記水蒸気を作るための熱や、前記改質触媒に供給する熱は、都市ガスもしくは燃料電池１で利用されなかった水素を含むオフガスを改質器３に内蔵しているバーナーで燃焼した熱が用いられる。前記バーナーで発生する燃焼排ガスは、熱交換器１４，１５で熱を回収した後、排ガス冷却器１０で冷却して排気される。
次に、前記改質器３で生成される水素含有ガスの経路を説明する。都市ガスにはガス漏れを感知するために硫黄化合物が添加されており、このような硫黄化合物は触媒に悪影響がある。そこで、硫黄化合物は脱硫器２で除去する。脱硫された都市ガスは、改質用水と共に改質器３の改質触媒に接触され、加熱された改質触媒上で水素含有ガスに改質される。改質器３で生成された水素含有ガスは、改質反応の副生成物である一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下まで低減させるため、変成器４やＣＯ除去器５を通過させる。一酸化炭素濃度を低減させた水素含有ガスは、燃料電池１の燃料極１ａに供給される。燃料電池１で消費されなかった水素を含むオフガスは、改質器３に戻されバーナーで燃やされる。

燃料電池１の燃料極１ａに供給される水素含有ガスと、反応空気ブロワ７から燃料電池の空気極１ｂに供給される空気との反応により、燃料電池１は発電し電力を供給する。
固体高分子電解質型燃料電池では、発電に適正な温度に保つために７０℃前後になるように冷却水により冷却する。電池冷却水タンク９に貯留した冷却水を、電池冷却水ポンプ８で燃料電池１内へ循環させている。燃料電池１で温められた電池冷却水タンク９の冷却水は、改質用水ポンプ１２で改質器３に供給され、改質用水として利用される。改質用水として利用されて減少した冷却水を補うため、燃料電池発電装置１００外から供給される水、若しくは排ガス冷却器１０で回収された水を回収水ポンプ１１で電池冷却水タンク９へ供給している。
前記改質器３から排出される燃焼排ガスの流路には、燃料電池発電装置のエネルギー効率の向上を図るために、燃焼排ガス中の熱エネルギーを回収する熱交換器が単段もしくは複数段設置されている場合がある。このような従来の燃料電池発電装置では、起動初期の改質器の温度は低温である場合が多いため、流路中で燃焼排ガスが凝縮して発生する凝縮水により燃焼排ガス流路が狭窄し、燃焼排ガスの脈動により燃焼状態が安定せず、燃焼排ガス中に未燃焼成分や一酸化炭素が高い濃度で含有される等の望ましくない状態が発生する。さらに、排ガス流路中に圧力損失の原因となる熱交換器類が存在している場合は、このような問題が顕著に発生するようになる。

燃焼排ガス中に未燃焼成分や一酸化炭素が高い濃度で含有される問題を回避する為に、燃焼触媒を用いて燃焼排ガスを浄化する方法が知られている。しかしながら、燃焼触媒を用いた方法では、高価な触媒が必要となること、そして、起動初期から機能させる為にはあらかじめ触媒を反応温度まで加温しておかねばならないという問題を有している。（特許文献１）
前記熱交換器１４，１５は、燃料電池発電装置１００が発電状態に至ってから、熱回収機能を求められるものである。しかし、起動時に改質器３の昇温を行う助燃昇温工程においては、熱交換が不要であるにもかかわらず、熱交換器のような圧力損失を発生させるものが燃焼排ガス流路に接続されており、上述のようなデメリットがあったことを発明者は見出した。
特開２００４−１４９４０７号公報

本発明の課題は、起動時に改質器のバーナーの燃焼が不安定になり、燃焼排ガス中の一酸化炭素の排出量が増加することや、燃焼しなかった燃料成分を排出する従来技術の問題点を改善することにある。さらに、運転停止時には各触媒の温度の低下を促し、触媒の劣化を抑制することである。

本発明の課題は、通常時燃焼排ガス流路中の熱交換器をバイパスする移行時燃焼排ガス流路を設け、燃焼排ガス流路の圧力損失を低減することによって解決される。
すなわち、請求項１の発明の特徴は、改質器の燃焼排ガスを加熱媒体とする熱交換器を有する燃料電池発電装置において、該熱交換器を経由する通常時燃焼排ガス流路と、該熱交換器を経由しない移行時燃焼排ガス流路と、該通常時燃焼排ガス流路および該移行時燃焼排ガス流路を切り替える燃焼排ガス流路切替え手段とを備えたことである。
また、請求項２の発明の特徴は、請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記燃焼排ガス若しくは燃焼排ガス流路の壁面の温度を測定する温度センサと、起動命令信号を受けた場合に該温度センサの温度データが温度設定値に到達するまでの間は前記移行時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを通流させ、該温度センサの温度データが該温度設定値より高い間は前記通常時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスが通流させるように前記燃焼排ガス流路切替え手段を制御する制御部とを備えたことである。

また、請求項３の発明の特徴は、請求項１に記載の燃料電池発電装置において、燃料電池発電装置の起動からの時間を測定する計時部と、起動命令信号を受けた場合に該計時部の測定時間が設定時間に到達するまでの間は前記移行時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを通流させ、該計時部の測定時間が該設定時間より後は前記通常時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを通流させるように前記燃焼排ガス流路切替え手段を制御する制御部とを備えたことである。
また、請求項４の発明の特徴は、請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記熱交換器が燃料電池本体もしくは改質器に熱を与える熱交換器であって、停止命令信号を受けた場合に前記移行時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスが通流するように前記燃焼排ガス流路切替え手段を制御する制御部を備えたことである。

請求項１に記載の発明によれば、燃焼排ガスの流路の圧力損失が低減し、燃焼排ガス流量を多く確保可能となり、凝縮液の排出もスムーズに行われる為、燃焼の安定性が向上し、起動時の燃焼排ガスに含まれる未燃焼成分や一酸化炭素濃度を低減できる。
請求項２に記載の発明によれば、設定した温度で燃焼排ガスの流路を移行時燃焼排ガス流路から通常時燃焼排ガス流路に自動的に切替えることで、燃焼排ガスとして外部に排出される熱を極力少なくすることができる。
請求項３に記載の発明によれば、設定した時間で燃焼排ガスの流路を移行時燃焼排ガス流路から通常時燃焼排ガス流路に自動的に切替えることで、燃焼排ガスとして外部に排出される熱を極力少なくすることができる。
請求項４に記載の発明によれば、改質器の熱の一部が、パージガスを媒体として、熱交換器を介して燃料電池本体もしくは改質器へ還流することを防ぐことで、各触媒の温度の低下を促すことができ、触媒の劣化を抑制できる。

本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１、図２、図３、及び図４は、本発明の一実施例である燃料電池発電装置の構成の概略を示す構成図である。
燃料電池には、リン酸型燃料電池や固体高分子電解質型燃料電池などがあるが、運転温度が約７０℃と比較的低温である固体高分子電解質型燃料電池は家庭用電源などの起動や停止を頻繁に繰り返す用途に多く用いられることから、固体高分子電解質型燃料電池を備えた燃料電池発電装置に本発明を適用することが特に好適である。
図１の燃料電池発電装置１００は、図５の燃料電池発電装置に、燃焼排ガス流路１６に燃焼排ガス流路切替え手段１９と、熱交換器１４，１５をバイパスする移行時燃焼排ガス流路１７とを備え、前記移行時燃焼排ガス流路１７と通常時燃焼排ガス流路１８とを切替える構成としている。図１の構成では、燃焼排ガス流路切替え手段１９を手動で切り替えることも可能である。
次に、図２の実施例について説明する。図２の燃料電池発電装置１００は、図１の燃料電池発電装置に、燃焼排ガスの温度を測定する温度センサ２１と、前記燃焼排ガス流路切替え手段１９を制御する制御部２０とを備えている。温度センサ２1は、燃焼排ガス流路切替え手段１９より上流に設置する。制御部２０は、温度センサ２１の検出温度が設定温度の７０℃を超えた時点で移行時燃焼排ガス流路１７から通常時燃焼排ガス流路１８に燃焼排ガス流路を切替えるように前記燃焼排ガス流路切替え手段１９を制御する。

次に、図３の実施例について説明する。図３の燃料電池発電装置１００は、図１の燃料電池発電装置に、燃料電池発電装置の起動からの時間を測定する計時部２２と、計時部２２の時間と設定時間とを比較して前記燃焼排ガス流路切替え手段１９を制御する制御部２０とを備えている。図２の実施例では、温度によって前記燃焼排ガス流路切替え手段１９の制御を行っているが、図３の実施例では、予め燃焼排ガス温度が７０℃に到達するまでに要する時間ｔを実験により求めておき、燃料電池発電装置１００の起動開始からｔ時間後に自動的に燃焼排ガス流路を切替える制御を行う。前記計時部２２の測定時間が前記設定時間に到達するまでの間は前記移行時燃焼排ガス流路１７に前記燃焼排ガスを通流させ、前記計時部２２の測定時間が前記設定時間より後は前記通常時燃焼排ガス流路１８に前記燃焼排ガスを通流させるように制御する。

通常発電時の各部の温度は、次のような状況である。熱交換器１４の燃焼排ガス温度は、入口２５０℃、出口１５０℃であり、燃料極排ガス温度は、入口７０℃、出口１８０℃である。また、熱交換器１５の燃料電池冷却水温度は、入口７１℃、出口７０℃であり、空気極排ガス温度は、入口７０℃、出口４０℃であり、燃焼排ガス温度は、入口１５０℃、出口４０℃であり、貯湯槽の循環水水温は、入口３０℃、出口６５℃であった。
次に、図４の実施例について説明する。図４の燃料電池発電装置１００は、図１の燃料電池発電装置に、前記燃焼排ガス流路切替え手段１９を制御する制御部２０とを備えている。制御部２０は、運転停止信号を受けた後、前記移行時燃焼排ガス流路１７に前記燃焼排ガスが通流するように前記燃焼排ガス流路切替え手段１９を制御する。それとともに、直ちに燃料系統がパージされる。より詳細なパージ方法としては、原燃料の供給を停止した後、改質用ポンプ１２の作動を継続することにより改質器３で発生する水蒸気で燃料系統をパージし、改質触媒部の温度が低下した後に都市ガスをパージして触媒の酸化を防止する。

前記燃料系統の水蒸気パージが終了後、改質用水ポンプ１２の作動を停止させる。降温のための燃焼空気ブロワ６および電池冷却水ポンプ８は、燃料電池１および改質器３の温度が所定の温度まで低下するまで作動を続ける。その他は停止させる。上記のような制御を行なうことにより、改質器３の熱の一部が、燃焼空気ブロワ６により送風される空気を媒体として、熱交換器１４，１５を介して燃料電池１もしくは改質器３へ還流することを防ぐことで燃料電池１や改質器３の触媒の温度低下を促すことができ、触媒の劣化を抑制できる。

本発明は、流路中に熱交換器を備えた化学反応装置の起動や停止に利用できる可能性があり、触媒を利用して化学反応させる分野に有用である。

請求項１に係る燃料電池発電装置の概要図 請求項２に係る燃料電池発電装置の概要図 請求項３に係る燃料電池発電装置の概要図 請求項４に係る燃料電池発電装置の概要図 従来の燃料電池発電装置の概要図

符号の説明

１ 燃料電池
１a 燃料極
１b 空気極
１c 冷却板
２ 脱硫器
３ 改質器
４ 変成器
５ ＣＯ除去器
６ 燃焼空気ブロワ
７ 反応空気ブロワ
８ 電池冷却水ポンプ
９ 電池冷却水タンク
１０ 排ガス冷却器
１１ 回収水ポンプ
１２ 改質用水ポンプ
１３ 補給水弁
１４、１５ 熱交換器
１６ 燃焼排ガス流路
１７ 移行時燃焼排ガス流路
１８ 通常時燃焼排ガス流路
１９ 燃焼排ガス流路切替え手段
２０ 制御部
２１ 温度センサ
２２ 計時部
２３ 貯湯槽循環ポンプ
１００ 燃料電池発電装置

Claims (4)

1. 改質器の燃焼排ガスを加熱媒体とする熱交換器を有する燃料電池発電装置において、
   該熱交換器を経由する通常時燃焼排ガス流路と、
   該熱交換器を経由しない移行時燃焼排ガス流路と、
   該通常時燃焼排ガス流路および該移行時燃焼排ガス流路を切り替える燃焼排ガス流路切替え手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電装置において、
   前記燃焼排ガス若しくは燃焼排ガス流路の壁面の温度を測定する温度センサと、
   起動命令信号を受けた場合に該温度センサの温度データが温度設定値に到達するまでの間は前記移行時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを通流させ、該温度センサの温度データが該温度設定値より高い間は前記通常時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスが通流させるように前記燃焼排ガス流路切替え手段を制御する制御部とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
3. 請求項１に記載の燃料電池発電装置において、
   燃料電池発電装置の起動からの時間を測定する計時部と、
   起動命令信号を受けた場合に該計時部の測定時間が設定時間に到達するまでの間は前記移行時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを通流させ、該計時部の測定時間が該設定時間より後は前記通常時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを通流させるように前記燃焼排ガス流路切替え手段を制御する制御部とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
4. 請求項１に記載の燃料電池発電装置において、
   前記熱交換器が燃料電池本体もしくは改質器に熱を与える熱交換器であって、
   停止命令信号を受けた場合に前記移行時燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスが通流するように前記燃焼排ガス流路切替え手段を制御する制御部を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。

Images