JP2008204662A - 燃料電池発電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】CO選択酸化器と改質ガス冷却器の運転温度を適切に維持し、コンパクトにして高効率で、常に安定運転を行わせることにある。
【解決手段】炭化水素系燃料を原燃料Fとし、水蒸気との改質反応により水素リッチガスを製造する少なくとも改質器4、第1段CO変成器5、第2段CO変成器6及びCO選択酸化器7から構成される燃料改質装置50と、この燃料改質装置50で製造された水素リッチな改質ガスを燃料電池本体21に適した温度に冷却する改質ガス冷却器19を備えた燃料電池発電システムにおいて、CO選択酸化器7と改質ガス冷却器19とを一体化してCO選択酸化触媒25の反応熱の除去機能と反応後の改質ガスの冷却機能を持たせた冷却器内蔵型CO選択酸化器30を構成する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、CO選択酸化器と改質ガス冷却器の運転温度を適切に維持して常に安定運転が行われるようにした燃料電池発電システムに関する。
燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有するシステムである。
最近では、小型のPEFC(固体高分子形燃料電池)の開発が活発化し、家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。
この家庭用PEFC燃料電池発電システムにおいては、都市ガスやLPガスや灯油などの炭化水素系燃料を原燃料として、水蒸気改質、部分改質またはオートサーマル等の化学反応により水素リッチな改質ガスを製造し、燃料電池本体に供給している。
ところで、炭化水素系燃料を改質して水素ガスを製造する場合、電池性能を低下させる要因の一つとなっているCO(一酸化炭素)が同時に生成されるため、改質ガス中のCO濃度を10ppm以下まで低減することを目的として、燃料改質装置の最下流にCO選択酸化触媒が充填されたCO選択酸化器が設置されている。
このCO選択酸化触媒によるCO選択酸化反応やメタネーション反応は発熱反応であり、その反応温度を適切に維持するために、CO選択酸化器に除熱器が併設されている場合がある(例えば、特許文献1,2)。
さらに、CO選択酸化触媒の運転温度は一般に100℃から180℃であるが、固体高分子型の燃料電池本体の運転温度は60〜70℃であることから、CO選択酸化器の下流に改質ガス冷却器を設置して燃料電池本体に供給される改質ガスの温度を適切に維持するようにしている(例えば、特許文献3,4)。
特開2002−187705号公報 特開2005−15292号公報 特開平11−260387号公報 WO2002/025762号公報
上述したCO選択酸化器と改質ガス冷却器を備えた燃料電池発電システムにおいては、CO選択酸化器と改質ガス冷却器が別置されているため、燃料電池発電システム全体の容積が大きくなるとともに、機器や接続配管など部品数が多く、コストアップや機器配管の外表面積からの放熱量の増加による熱効率が低下するという問題があった。
本発明は上述した問題を解決するためになされたものであり、CO選択酸化器と改質ガス冷却器の運転温度を適切に維持し、コンパクトにして高効率で、常に安定運転を行うことが可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
本発明は、上記の目的を達成するため、炭化水素系燃料を原燃料とし、水蒸気との改質反応により水素リッチガスを製造する少なくとも改質器、CO変成器、CO選択酸化器から構成される燃料改質装置と、その燃料改質装置で製造された水素リッチな改質ガスを燃料電池本体に適した温度に冷却する改質ガス冷却器とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記CO選択酸化器と前記改質ガス冷却器とを一体化して冷却器内蔵型CO選択酸化器を構成し、この冷却器内蔵型CO選択酸化器は、内部に2つの室が形成されその一方の室にCO選択酸化触媒を充填して改質ガス入口より導入された改質ガスを流通させる触媒流路が形成され、他方の室に第1の改質ガス流路と第2の改質ガス流路が形成された容器と、前記第1の改質ガス流路と第2の改質ガス流路に配設された冷却管とを備え、前記容器内の一方の室に導入された改質ガスを前記触媒流路から前記第1の改質ガス流路及び第2の改質ガス流路の順に流し、且つ前記冷却管を流れる冷却媒体により前記燃料電池本体に適した温度に冷却して流出させる。
本発明によれば、CO選択酸化器と改質ガス冷却器の運転温度を適切に維持し、コンパクトにして高効率で、常に安定運転を行うことができる。
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明による燃料電池発電システムの第1の実施形態を示す系統構成図である。
本実施形態の燃料電池発電システムは、図1に示すように大きくは原燃料Fを水素リッチな改質ガスに改質させる燃料改質系1と、この燃料改質系1で製造された改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させ、その際に発生する電気を取り出す発電系2とで構成されている。
燃料改質系1は、吸着式脱硫器3、改質器4、第1段CO変成器5、第2段CO変成器6およびCO選択酸化器7の各反応器と原燃料F、空気供給装置10及び水供給装置18と各反応器での反応が最適な温度となるよう調節する複数の熱交換器(12,14,15,17,19)を備えている。
燃料改質系1の中で、少なくとも改質器4、第1段CO変成器5、第2段CO変成器6および冷却器内蔵型CO選択酸化器30は、軽量コンパクト化のために一体化されて燃料改質装置50を構成している。
上記冷却器内蔵型CO選択酸化器30は、CO選択酸化触媒25が充填されたCO選択酸化器7と改質ガス冷却器19を一体化した構造のものであり、改質ガス冷却器19にはドレンを排出するドレン系26が接続されている。
図2は、冷却器内蔵型CO選択酸化器30の模式的構造を示し、(a)は縦断面図、(b)は横断面図である。
この冷却器内蔵型CO選択酸化器30は、図2(a),(b)に示すように外周面が放熱防止用のセラミックファイバーやマイクロサームなどの断熱材からなる保温材44で覆われた箱形の容器31の内部をステンレス等からなる伝熱板31aにより2つの室に仕切り、その一方の室に粒状またはハニカム状のCO選択酸化触媒25を充填して触媒流路32を形成するとともに、この触媒流路32に対応する容器31の内周面部に電気ヒータ等の加熱手段43が設置されている。
また、触媒流路32の上流側となる容器31の上面部を貫通させて改質ガスを流入させる改質ガス導入管37が設けられ、さらに触媒流路32の下流側となる容器31の下面部と伝熱板31aとの間に改質ガスを他方の室に流入させる連通部が形成されている。
さらに、触媒流路32と隣接する室には、熱伝導率の低い仕切板31bにより第1の改質ガス流路33と第2の改質ガス流路34が形成され、触媒流路32及び連通部を通して第1の改質ガス流路33に流入した改質ガスがこの第1の改質ガス流路33の下流側に対応する容器31の上面部と仕切板31bとの間に存する連通部より第2の改質ガス流路34に抜け、この第2の改質ガス流路34の下流側に対応する容器31の下部側面部を貫通させて設けられた改質ガス排出管38より流出可能な構成となっている。
さらに、第1の改質ガス流路33に第1の冷却管35が、第2の改質ガス流路34には第2の冷却管36がそれぞれ配設され、これら第1の冷却管35及び第2の冷却管36は容器31の上面部に設けられた連絡管41にて連通されている。
この場合、第1の冷却管35及び第2の冷却管36は、第1の改質ガス流路33及び第2の改質ガス流路34にそれぞれ対応させて蛇行形状で配設され、改質ガスが仕切板31bに対して平行に且つ第1の改質ガス流路33にあっては下方から上方へ、第2の改質ガス流路34にあっては上方から下方へ順次流れるようになっている。
また、第2の改質ガス流路34の下流側に対応する容器31の下面部を貫通させてドレン出口管42と第2の冷却管36に繋がる冷却流体導入管39がそれぞれ設けられ、また第1の改質ガス流路33の上流側に対応する容器31の下面部を貫通させて第1の改質ガス流路33に繋がる冷却流体排出管40が設けられている。
次に上記のように構成された燃料電池発電システムの作用について述べる。
起動運転時は、吸着式脱硫器3で炭化水素系の原燃料Fに含まれている硫黄化合物を脱硫後、その一部が起動用燃料供給系8を介して改質器4の改質器バーナ9に供給され、ここで空気供給装置10からの空気と燃焼反応させて改質器4内を加熱する。
また、脱硫後の残りの原燃料Fに水蒸気供給系11から流入する水蒸気を加えて、予熱器12で凡そ400℃に加熱させた後、改質器4の改質触媒13に供給し、この改質触媒13で凡そ600〜700℃で水蒸気改質反応をさせて水素リッチな改質ガスを生成する。
この水素リッチな改質ガスは予熱器12に供給され、上述の水蒸気を加えた原燃料ガスとの熱交換により凡そ250℃に冷却された後、第1段CO変成器5のCO変成触媒24へ導入され、CO変成反応によりCO濃度が2%以下に低減される。
第1段CO変成器5でCO濃度を2%程度に低減された改質ガスは、CO変成器用冷却器14で凡そ200℃に冷却された後、第2段CO変成器6のCO変成触媒24に導入され、CO濃度が0.5%以下に低減される。
第2段CO変成器6でCO濃度を0.5%以下に低減された改質ガスは、例えばブロアで大気から吸込んだ空気が空気供給系16を介して加えられ、CO選択酸化器用冷却器17で凡そ100℃に冷却された後、冷却器内蔵型CO選択酸化器30のCO選択酸化器7に導入され、このCO選択酸化器7のCO選択酸化触媒25によるCO選択酸化反応およびメタネーション反応によりCO濃度が数ppmに低減される。
また、CO選択酸化反応およびメタネーション反応は発熱反応であるため、反応により改質ガスの温度は上昇するが、隣接する改質ガス冷却器19を流れる改質ガスにより除熱され、反応温度に好適な100〜180℃に保たれる。
ここで、冷却器内蔵型CO選択酸化器30の詳細な作用について図2により説明する。
いま、起動時に一方の室に形成された触媒流路32に対応する容器31の内面に設けられた電気ヒータ等の加熱手段43によりCO選択酸化触媒25を運転に適した凡そ150℃に予熱されているものとする。
この状態で、空気を含んだ凡そ100℃の0.5%CO濃度の改質ガスが改質ガス導入管37より容器31内の一方の室に形成された触媒流路32に導入されると、この改質ガスはCO選択酸化触媒25のCO選択酸化反応およびメタネーション反応によりCO濃度が数ppmに低減される。このCO選択酸化反応およびメタネーション反応は、発熱反応であるため、反応により改質ガスの温度は上昇するが、この温度上昇した改質ガスは第1の改質ガス流路33を流れる改質ガスが伝熱板31aを介して伝熱されることで除熱され、CO選択酸化触媒25の温度は凡そ入口部100℃、中間部150℃、出口部120℃となり反応温度に好適な温度範囲である100〜180℃に保たれる。
この触媒通路32を出た改質ガスは、触媒流路32と隣接する室に仕切板31bにより形成された第1の改質ガス流路33に導入され、触媒流路32からの受熱と第1の冷却管35を流れる冷却水および隣接する第2の改質ガス流路34からの除熱により、凡そ100℃に冷却されて、第2の改質ガス流路34に導入される。
この第2の改質ガス流路34に導入された改質ガスは、第1の改質ガス流路33からの受熱と第2の冷却管36を流れる冷却水からの除熱により、凡そ60〜70℃に冷却される。第2の改質ガス流路34と第2の冷却管36は対向流型で熱交換することにより冷却性能が向上しており、改質ガスは露点程度まで冷却されるため、凝縮による生成水はドレン出口管42より排出される。その後、改質ガス出口管38から出た改質ガスは燃料電池本体21に導入される。
また、冷却流体導入管39から導入された約60℃の冷却水は第2の冷却管36、第1の冷却管35の順に流れ、第2の改質ガス流路34および第1の改質ガス流路33より受熱して、冷却水の一部が蒸発して二相流となって冷却流体出口管40より外部に流出し、下流のCO選択酸化器冷却器17に導入される。
さらに、ドレン出口管42より排出されたドレン水はドレン系より排出され、また、改質ガス冷却器19で改質ガスを冷却させた冷却水は、冷却流体出口管40より水供給系20を介してCO選択酸化器用冷却器17、CO変成器用冷却器14、蒸気発生器15を流れる間に水蒸気となり、水蒸気供給系11を介して原燃料Fと混合される。
一方、発電系2は、燃料電池本体21とアノードオフガス系22とを備え、燃料改質系1からのCO濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを燃料電池本体21の燃料電池アノード極へ供給し、燃料電池カソード極(ともに図示せず)に流した空気中の酸素と化学反応させ、電気を発生させる。また、アノード極で未反応となった燃料改質ガス(アノードオフガス)をアノードオフガス系22を介して改質器4の改質器バーナ9に供給する。
この改質器バーナ9は、燃料電池本体21の発電が開始されると、燃料電池本体21での未反応のアノードオフガスと、空気供給装置10から供給される空気の燃焼反応によって、燃焼ガスを生成する。
なお、アノードオフガスによる燃焼が開始された後、起動用燃料供給系8を介して改質器4の改質器バーナ9に供給されていた原燃料Fは停止される。
また、改質器4内を加熱させた燃焼ガスは、排ガス系23を介して蒸気発生器15に熱源として供給され、水供給系20からの水を水蒸気にした後、大気に排ガスとして放出される。
このように本発明の第1の実施形態では、炭化水素系燃料を原燃料Fとし、水蒸気との改質反応により水素リッチガスを製造する少なくとも改質器4、第1段CO変成器5、第2段CO変成器6及びCO選択酸化器7から構成される燃料改質装置50と、この燃料改質装置50で製造された水素リッチな改質ガスを燃料電池本体21に適した温度に冷却する改質ガス冷却器19を備えた燃料電池発電システムにおいて、CO選択酸化器7と改質ガス冷却器19とを一体化してCO選択酸化触媒25の反応熱の除去機能と反応後の改質ガスの冷却機能を持たせた冷却器内蔵型CO選択酸化器30とすることにより、機器点数の低減によるコストダウンや機器表面積の減少による放熱量の低減による熱効率の向上が実現できるとともに、CO選択酸化触媒25の運転温度と改質ガス冷却器19の出口改質ガス温度を常に適切に維持することが可能となり、常に安定した運転を行わせることができる。
図3は、本発明による燃料電池発電システムの第2の実施形態における冷却器内蔵型CO選択酸化器を示す縦断面図で、図2と同一部材には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
第2の実施形態では、図3に示すように冷却器内蔵型CO選択酸化器30の第1の改質ガス流路33及び第2の改質ガス流路34の少なくとも一方、本例では両方にセラミック又は金属などからなる粒子或いは繊維状の伝熱促進材45を充填するようにしたものである。
この場合、第1の冷却管35及び第2の冷却管36は、断面形状が円形だけではなくフィン付き管やプレートフィンチューブ型としてもよい。
このような構成の冷却器内蔵型CO選択酸化器30とすれば、伝熱促進材45により第1の改質ガス流路334及び第2の改質ガス流路34を流れる改質ガスから第1の冷却管35及び第2の冷却管36を流れる冷却水への熱伝達が良好になるので、効率よく改質ガスの冷却をすることが可能となり、冷却器内蔵型CO選択酸化器30を更にコンパクト化ができるとともに、機器表面積の減少による放熱量の低減による熱効率をさらに向上させることができる。
図4は、本発明による燃料電池発電システムの第3の実施形態における冷却器内蔵型CO選択酸化器を示す縦断面図で、図2と同一部材には同一符号を付して説明する。
第3の実施形態では、図4に示すように冷却器内蔵型CO選択酸化器30として、改質器4や第1段CO変成器5及び第2段CO変成器6などが配置できるスペース46を有する中空部47を中心に同心円筒状に形成された容器48を用い、この容器48内に二つの室を形成する円筒状の伝熱板48aを同心円状に配置し、その内側室に粒状またはハニカム状のCO選択酸化触媒25を充填して触媒流路32を形成するとともに、この触媒流路32に対応する中空部47の周面部に電気ヒータ等の加熱手段43を設置する。
また、触媒流路32と隣接する外側室に熱伝導率の低い円筒状の仕切板48bにより第1の改質ガス流路33と第2の改質ガス流路34を形成し、触媒流路32及び連通部を通して第1の改質ガス流路33に流入した改質ガスがこの第1の改質ガス流路33の下流側に対応する容器48の上面部と仕切板48bとの間に存する連通部より第2の改質ガス流路34に抜け、この第2の改質ガス流路34の下流側に対応する容器48の下部側面部を貫通させて設けられた改質ガス排出管38より流出可能な構成とする。
さらに、第1の改質ガス流路33に第1の冷却管35を、第2の改質ガス流路34には第2の冷却管36をそれぞれ第1の実施形態と同様の構成して配設し、これら第1の冷却管35及び第2の冷却管36を容器48の上面部に設けられた連絡管41にて連結する。
また、第2の改質ガス流路34の下流側に対応する容器48の下面部を貫通させてドレン出口管42と第2の冷却管36に繋がる冷却流体導入管39をそれぞれ設け、また第1の改質ガス流路33の上流側に対応する容器48の下面部を貫通させて第1の改質ガス流路33に繋がる冷却流体排出管40を設ける。
このように中空部47を中心に同心円筒状に形成された容器48を用いて冷却器内蔵型CO選択酸化器30を構成しても、円筒型の燃料改質装置50と一体化することができるとともに、第1の実施形態と同等の作用効果を得ることができる。
前述した第1の実施形態乃至第3の形態では、冷却器内蔵型CO選択酸化器30の改質ガス冷却器19に水タンクからポンプ18を介して冷却水を導入するようにした燃料電池発電システムについて述べたが、図5に示すように冷却水に代えて空気供給装置10からの空気を改質ガス冷却器19に導入し、改質ガス冷却器19から出た空気を改質器バーナ9に導入する燃料電池発電システムにおいても、前述同様に適用することができる。
このような燃料電池発電システムにおいても、改質ガス冷却器19に導入される空気は最大でも40℃の大気温度なので、第1の実施形態と同様に改質ガス冷却器19の改質ガスの出口温度を60〜70℃に冷却することができる。
本発明による燃料電池発電システムの第1の実施形態を示す系統構成図。 同実施形態における冷却器内蔵型CO選択酸化器の模式的構造を示し、(a)は縦断面図、(b)は横断面図。 本発明による燃料電池発電システムの第2の実施形態における冷却器内蔵型CO選択酸化器を示す縦断面図。 本発明による燃料電池発電システムの第3の実施形態における冷却器内蔵型CO選択酸化器を示す縦断面図。 本発明に係る燃料電池発電システムの他の例を示す系統構成図。
符号の説明
1…燃料改質システム、2…発電系、3…吸着式脱硫器、4…改質器、5…第1段CO変成器、6…第2段CO変成器、7…CO選択酸化器、8…起動用燃料供給系、9…改質器バーナ、10…空気供給装置、11…水蒸気供給系、12…予熱器、13…改質触媒、14…CO変成器用冷却器、15…蒸気発生器、16…空気供給系、17…CO選択酸化器用冷却器、18…ポンプ、19…改質ガス冷却器、20…水供給系、21…燃料電池本体、22…アノードオフガス系、23…排ガス系、24…CO変成触媒、25…CO選択酸化触媒、26…ドレン系、30…冷却器内蔵型CO選択酸化器、31,48…容器、31a,48a…伝熱板、31b,48b…仕切板、32…触媒流路、33…第1の改質ガス流路、34…第2の改質ガス流路、35…第1の冷却管、36…第2の冷却管、37…改質ガス入口管、38…改質ガス出口管、39…冷却流体入口管、40…冷却流体出口管、41…連絡管、42…ドレン出口管、43…加熱手段、44…保温材、45…伝熱促進材、46…スペース、47…中空部、50…燃料改質装置

Claims (9)

  1. 炭化水素系燃料を原燃料とし、水蒸気との改質反応により水素リッチガスを製造する少なくとも改質器、CO変成器、CO選択酸化器から構成される燃料改質装置と、その燃料改質装置で製造された水素リッチな改質ガスを燃料電池本体に適した温度に冷却する改質ガス冷却器とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
    前記CO選択酸化器と前記改質ガス冷却器とを一体化して冷却器内蔵型CO選択酸化器を構成し、
    この冷却器内蔵型CO選択酸化器は、内部に2つの室が形成されその一方の室にCO選択酸化触媒を充填して改質ガス入口より導入された改質ガスを通流させる触媒流路が形成され、他方の室に第1の改質ガス流路と第2の改質ガス流路が形成された容器と、前記第1の改質ガス流路と第2の改質ガス流路に配設された冷却管とを備え、
    前記容器内の一方の室に導入された改質ガスを前記触媒流路から前記第1の改質ガス流路及び第2の改質ガス流路の順に流し、且つ前記冷却管を流れる冷却媒体により前記燃料電池本体に適した温度に冷却して流出させることを特徴とする燃料電池発電システム。
  2. 請求項1記載の燃料電池発電システムにおいて、前記容器内に形成される2つの室は、伝熱板により仕切られていることを特徴とする燃料電池発電システム。
  3. 請求項1又は請求項2記載の燃料電池発電システムにおいて、他方の室に形成される第1の改質ガス流路と第2の改質ガス流路は、熱伝導率の低い仕切板により仕切られていることを特徴とする燃料電池発電システム。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記容器は前記触媒流路と第1の改質ガス流路及び第2の改質ガス流路が隣接して形成される箱形容器からなることを特徴とする燃料電池発電システム。
  5. 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記容器は前記触媒流路と第1の改質ガス流路及び第2の改質ガス流路が隣接して同心円状に形成される円筒状容器からなることを特徴とする燃料電池発電システム。
  6. 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、第1の改質ガス流路及び第2の改質ガス流路に配設された冷却管は連通され、冷却媒体を第2の改質ガス流路の冷却管を通して第1の改質ガス流路の冷却管に流すことを特徴とする燃料電池発電システム。
  7. 請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記第1の改質ガス流路及び第2の改質ガス流路の少なくとも一方に伝熱促進体が充填されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
  8. 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記冷却管の内部を流れる冷却媒体は改質に必要な水蒸気を生成するための改質水であることを特徴とする燃料電池発電システム。
  9. 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記冷却管の内部を流れる冷却媒体は改質器バーナに供給する燃焼用空気であることを特徴とする燃料電池発電システム。
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