JP2008226603A - 燃料電池装置における熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池装置で発生する排熱を排熱回収水との熱交換で効果的に回収すると共にＣＯ変成ガスの露点を低下させてＣＯ除去器の触媒の耐久性を向上できる。
【解決手段】上流側から順に改質器１、ＣＯ変成器２、ＣＯ除去器３を有して燃料ガスから水素を製造する燃料改質部４と、燃料改質部４で製造された水素に酸素を反応させて発電する燃料電池部５とを備え、燃料電池部５のカソード側から排出されるカソードオフガスと、ＣＯ変成器２で変成されてＣＯ除去器３に送られるＣＯ変成ガスを排熱回収水と熱交換して熱回収するようにした燃料電池装置における熱回収システムである。排熱回収水とＣＯ変成ガスの熱交換を行うＣＯ変成ガス熱交換部６の下流側に排熱回収水とカソードオフガスの熱交換を行うカソードオフガス熱交換部７を配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池装置における熱回収システムに関するものである。

従来から、上流側から順に改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器を有して燃料ガスから水素を製造する燃料改質部と、燃料改質部で製造された水素に酸素を反応させて発電する燃料電池部とを備えた燃料電池装置において、該燃料電池装置の各部分で発生する熱を排熱回収水と熱交換することで回収するようにしたものが特許文献１により知られている。

この特許文献１に示された従来例にあっては、排熱回収水は最初に改質器で発生する燃焼排ガスと熱交換を行い、その後、アノード排ガスと熱交換を行い、次に、カソード排ガスと熱交換を行い、その後、燃料電池部の冷却水と熱交換をするようになっている。

しかし、上記従来例にあっては、ＣＯ変成器で変成したＣＯ変成ガスは上記排熱回収水と熱交換して排熱回収するようになっていなかった。

ＣＯ変成器で変成したＣＯ変成ガスは次にＣＯ除去器に送られてＣＯ除去反応によりＣＯ除去がなされるのであるが、この場合、ＣＯ除去器に送られたＣＯ変成ガスの温度が高いとＣＯ変成ガスの露点が高く、ＣＯ除去反応に用いられる触媒への水分が接触する量が多くなって触媒の耐久性が低下するという問題がある。

ここで、ＣＯ変成器で変成したＣＯ変成ガスと排熱回収水との間で熱交換してＣＯ変成ガスの温度を下げ、ＣＯ変成ガスの露点を低くすることも考えられる。しかしながら、上記した従来例においては、燃料電池装置で発生する排熱を排熱回収水で熱回収するに当って、最初に排熱回収水と燃焼排ガスとの間で熱交換をするものであるから、燃焼排ガスからの熱回収量が多くなってしまう。したがって、最初に排熱回収水と燃焼排ガスとの間で熱交換した後に、下流側において排熱回収水とＣＯ変成ガスとの熱交換をしたり、アノードオフガスとの熱交換をしても、ＣＯ変成ガスの温度低下、アノードオフガスの温度低下が十分でない。したがって、この場合も、ＣＯ変成ガスの温度低下が十分でなくて露点を十分に下げることができないという問題があると共に、アノードオフガスの温度低下が十分でなくて露点を十分に下げることができないという問題がある。アノードオフガスの露点低下が十分でないと、燃料効率が低下し、これにより改質器効率が低下し、発電効率が低下するという問題がある。

また、排熱回収水とカソードオフガスの熱交換を行った後に、排熱回収水とＣＯ変成ガスの熱交換を行うと、カソードオフガスは流量が多いため熱回収量が大きく、カソードオフガスとの熱交換で高くなった排熱回収水と、ＣＯ変成ガスとの間で熱交換をすることになって、ＣＯ変成ガスの温度低下が十分でなく、露点を十分に下げることができず、触媒の耐久性が低下するという問題がある。
特開２００５−７１８３４号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、燃料電池装置で発生する排熱を排熱回収水との熱交換で効果的に回収すると共にＣＯ変成ガスの露点を低下させてＣＯ除去器の触媒の耐久性を向上でき、また、改質器の改質器バーナにおける燃焼効率を向上させ、改質器効率、発電効率を向上させることができる燃料電池装置における熱回収システムを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池装置における熱回収システムは、上流側から順に改質器１、ＣＯ変成器２、ＣＯ除去器３を有して燃料ガスから水素を製造する燃料改質部４と、燃料改質部４で製造された水素に酸素を反応させて発電する燃料電池部５とを備え、少なくとも、燃料電池部５のカソード側から排出されるカソードオフガスと、ＣＯ変成器２で変成されてＣＯ除去器３に送られるＣＯ変成ガスを排熱回収水と熱交換して熱回収するようにした燃料電池装置における熱回収システムであって、排熱回収水とＣＯ変成ガスの熱交換を行うＣＯ変成ガス熱交換部６の下流側に排熱回収水とカソードオフガスの熱交換を行うカソードオフガス熱交換部７を配置して成ることを特徴とするものである。

このように熱回収量の大きいカソードオフガスと熱交換する前の排熱回収水とＣＯ変成ガスとを熱交換することで、ＣＯ変成ガスの温度を効果的に低下できて、ＣＯ変成ガスの露点を低下させてＣＯ除去器の触媒の耐久性を向上できる。

また、排熱回収水とＣＯ変成ガスの熱交換を行うＣＯ変成ガス熱交換部６、排熱回収水とアノードオフガスの熱交換を行うアノードオフガス熱交換部８よりも下流側に、排熱回収水とカソードオフガスの熱交換を行うカソードオフガス熱交換部７、排熱回収水と改質器１で発生する燃焼排ガスとの熱交換を行う燃焼排ガス熱交換部９を配置することが好ましい。

このように熱回収量の大きいカソードオフガスとの熱交換、燃焼排ガスとの熱交換とを行う前の排熱回収水とＣＯ変成ガスとの熱交換、アノードオフガスの熱交換を行うことで、ＣＯ変成ガスの温度を効果的に低下できると共にアノードオフガスの温度を効果的に低下できて、ＣＯ変成ガスの露点を低下させてＣＯ除去器の触媒の耐久性を向上できると共に、アノードオフガスの露点を低下させて改質器１の改質器バーナ２４における燃焼効率を向上させることができ、また、排熱回収水はＣＯ変成ガスとの熱交換や、アノードオフガスとの熱交換をした後で、カソードオフガスとの熱交換、燃焼排ガスとの熱交換をするので、燃料電池装置１０で発生する排熱を排熱回収水との熱交換で効果的に回収することができる。

本発明の請求項１記載の発明は、上記のように構成したので、ＣＯ変成ガスの露点を低下させてＣＯ除去器の触媒の耐久性を向上することができ、また、燃料電池装置で発生する排熱を排熱回収水との熱交換で効果的に回収することができるという効果がある。

また請求項２記載の発明は、ＣＯ変成ガスの露点を低下させてＣＯ除去器の触媒の耐久性を向上することができると共に、アノードオフガスの露点を低下させて改質器の燃焼部における燃焼効率を向上させ、改質器効率、発電効率を向上させることができ、また、燃料電池装置で発生する排熱を排熱回収水との熱交換で効果的に回収することができるという効果がある。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

図１には燃料電池装置１０における熱回収システムの一実施形態を示す概略構成図が示してある。本発明の熱回収システムは、燃料電池装置１０と、燃料電池装置１０で発生する排熱を排熱回収水との熱交換により熱回収するための排熱回収装置１１とで構成してある。

燃料電池装置１０は、図２に示すように燃料改質部４、燃料電池部５、直流交流変換装置１７を備えている。

燃料改質部４は、都市ガスのような燃料ガスから水素を製造するためのもので、上流側から順に脱硫器１５、改質器１、ＣＯ変成器２、ＣＯ除去器３を備えている。

脱硫器１５は都市ガスのような燃料ガスを脱硫するためのものである。脱硫器１５で脱硫した燃料ガスには改質用スチーム発生器１６で発生させた水蒸気を混合するようになっており、脱硫され且つ水蒸気が混合された燃料ガスは改質器１に送られる。

改質器１は改質器バーナ２４を有しており、改質器バーナ２４を燃焼させることで、改質触媒を加熱しながら前述のように都市ガスに水蒸気を混合した燃料ガスを水蒸気改質反応により改質するようになっており、改質器１で改質されたガスはＣＯ変成器２でＣＯ変成を行い、ＣＯ変成器２でＣＯ変成を行ったＣＯ変成ガスはＣＯ変成ガス管路２２を介してＣＯ除去器３に送られ、ＣＯ除去器３でＣＯ選択酸化を行って一酸化炭素を除去してＣＯ濃度の低い水素リッチの改質ガスを製造するようになっている。

燃料電池部５は、アノード（燃料極）１２、電解質１３、カソード（空気極）１４が層となったセルを一単位とし、このセルをセパレータ（図示せず）を介して多数積層して構成してある。ここで、アノード１２、カソード１４は気体を通す構造をしており、図２に示すように上記燃料改質部４で製造した水素リッチの改質ガス、つまり水素をアノード１２に供給し、カソード１４にブロアから空気を供給することで、水素はアノード１２中の触媒の働きで電子を切り離して水素イオンになり、電解質１３はイオンしか通さないという性質を持っているため、切り離された電子は外に出て行き、電解質の中を移動した水素イオンは、反対側のカソード１４に送られた酸素と、外部から電線（外部回路）を通して戻ってきた電子と反応して水となる。このようにして発電した電気は直流なので、直流交流変換装置１７により交流に変換するようになっている。

燃料電池部５のアノード１２から排気されるアノードオフガスは残水素を含んでいるため、アノードオフガス管路２５を介して改質器１の改質器バーナ２４に送られて燃料ガスとして利用されるようになっており、またこの改質器バーナ２４には前記の都市ガス、空気も供給され、残水素を含むアノードオフガスと都市ガスと空気とを混合して改質器バーナ２４で燃焼させることで、前述のように改質触媒を加熱しながら都市ガスに水蒸気を混合した燃料ガスを改質するようになっている。改質器バーナ２４の燃焼排ガスは燃焼排ガス排気管路２６を介して排出される。

燃料電池部５のカソード１４から排出されるカソードオフガスはカソードオフガス管路２７を介して排出される。

また、燃料電池部５は電池冷却水循環管路２８を循環する電池冷却水により冷却するようになっている。図中３０は電池冷却水を循環させるためのポンプである。

燃料電池装置１０で発生する排熱は排熱回収水との熱交換により排熱回収装置１１により回収されるようになっている。

排熱回収装置１１は、貯湯槽１８と、両端部の出口部１９、入口部２０がそれぞれ貯湯槽１８に連通接続した熱回収用の循環路２１と、熱回収用の循環路２１に設けた複数の熱交換部とで構成してあり、貯湯槽１８内の排熱回収水はポンプ３１を駆動することで出口部１９から循環路２１に供給され、複数の熱交換部で熱交換により排熱回収をすることで加熱されて入口部２０から貯湯槽１８内に返送され、貯湯槽１８内の湯水を加熱するようになっている。

循環路２１に設けられる熱交換部としては、上流側である出口部１９側から下流側である入口部２０にかけて順にＣＯ変成ガス熱交換部６、アノードオフガス熱交換部８、カソードオフガス熱交換部７、燃焼排ガス熱交換部９、電池冷却水熱交換部１４がある。

ＣＯ変成ガス熱交換部６は、ＣＯ変成ガス管路２２を流れるＣＯ変成ガスと、循環路２１を流れる排熱回収水との間で熱交換する熱交換部である。

アノードオフガス熱交換部８は、アノードオフガス管路２５を流れるアノードオフガスと、循環路２１を流れる排熱回収水との間で熱交換する熱交換部である。

カソードオフガス熱交換部７は、カソードオフガス管路２７を流れるカソードオフガスと、循環路２１を流れる排熱回収水との間で熱交換する熱交換部である。

また、燃焼排ガス熱交換部９は、燃焼排ガス排気管路２６を流れる燃焼排ガスと、循環路２１を流れる排熱回収水との間で熱交換する熱交換部である。

また、電池冷却水熱交換部１４は、電池冷却水循環管路２８を流れる電池冷却水と、循環路２１を流れる排熱回収水との間で熱交換する熱交換部である。

燃料電池装置１０で発生した排熱を排熱回収水との熱交換により排熱回収装置１１で熱回収するには以下のようにして行われる。

循環路２１を流れる排熱回収水は、まず、最上流に位置するＣＯ変成ガス熱交換部６においてＣＯ変成ガスとの間で熱交換して排熱を回収する。このように最初に温度の低い排熱回収水とＣＯ変成ガスとの熱交換を行うので、ＣＯ除去器３に送られるＣＯ変成ガスは温度の低い排熱回収水により十分に冷やされて温度が低下し、十分に露点を下げることができる。温度が低下して露点が下げられたＣＯ変成ガスがＣＯ除去器３に送られることで、ＣＯ除去器３においてＣＯ除去反応に用いる触媒の耐久性を向上させることができる。

ＣＯ変成ガス熱交換部６を通過することで、ＣＯ変成ガスと熱交換して少し温度が上昇した排熱回収水は、続いてアノードオフガス熱交換部８において、アノードオフガスとの間で熱交換して排熱を回収する。ＣＯ変成ガスとの熱交換により排熱回収をしただけの排熱回収水は未だ温度の低い状態であるので、温度の低い排熱回収水とアノードオフガスとの間で熱交換することになり、排熱回収水でアノードオフガスが十分に冷やされて温度が低下し、十分に露点を低下させることができ、改質器バーナ２４における燃焼効率を向上させることができる。このように改質器バーナ２４の燃焼効率が向上することで、改質器１の効率が向上し、発電効率が向上することになる。

アノードオフガス熱交換部８を通過した排熱回収水は、次に、カソードオフガス熱交換部７でカソードオフガスとの間で熱交換して排熱回収する。

続いて、カソードオフガス熱交換部７を通過した排熱回収水は、燃焼排ガス熱交換部９を通って、改質器バーナ２４の燃焼排ガスと熱交換して排熱回収をし、その後、電池冷却水熱交換部１４を通って電池冷却水と熱交換して排熱回収をし、熱回収により高温に加熱された排熱回収水は入口部２０がそれぞれ貯湯槽１８内に戻る。

ここで、仮に、排熱回収水とＣＯ変成ガスとの熱交換や、アノードオフガスとの熱交換をする前に、排熱回収水と、熱回収量の大きいカソードオフガスや燃焼排ガスや排熱回収水との熱交換を行うものにおいては、排熱回収水への熱回収量が大きくて排熱回収水が高温となり、この結果、排熱回収水とＣＯ変成ガスとの熱交換や、排熱回収水とアノードオフガスとの熱交換をしても、ＣＯ変成ガスやアノードオフガスの十分な温度低下が期待できず、ＣＯ変成ガスやアノードオフガスの露点を十分に低下させることができない。

しかしながら、本発明は上記のように、排熱回収水と、熱回収量の大きいカソードオフガスや燃焼排ガスや排熱回収水との熱交換を行う前に、温度の低い状態の排熱回収水と、熱回収量の小さいＣＯ変成ガスとの熱交換や、アノードオフガスとの熱交換とを行うので、ＣＯ変成ガスやアノードオフガスの露点を十分に低下させることができ、上記したようなＣＯ除去反応に用いる触媒の耐久性向上、改質器バーナ２４における燃焼効率の向上、改質器１の効率の向上、発電効率の向上を図ることができることになる
また、排熱回収水は、排熱回収量の小さいＣＯ変成ガスやアノードオフガスと排熱回収水をして、ＣＯ変成ガスやアノードオフガスの排熱を効果的に回収した後に、排熱回収量の大きい熱回収量の大きいカソードオフガスや燃焼排ガスや排熱回収水との熱交換との熱交換をして排熱回収をするので、燃料電池装置１０で発生する排熱を排熱回収水との熱交換で効果的に回収することができる。

本発明の燃料電池装置における熱回収システムの概略構成図である。 同上の燃料電池装置の概略説明図である。

符号の説明

１ 改質器
２ ＣＯ変成器
３ ＣＯ除去器
４ 燃料改質部
５ 燃料電池部
６ ＣＯ変成ガス熱交換部
７ カソードオフガス熱交換部
８ アノードオフガス熱交換部
９ 燃焼排ガス熱交換部

Claims (2)

1. 上流側から順に改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器を有して燃料ガスから水素を製造する燃料改質部と、燃料改質部で製造された水素に酸素を反応させて発電する燃料電池部とを備え、少なくとも、燃料電池部のカソード側から排出されるカソードオフガスと、ＣＯ変成器で変成されてＣＯ除去器に送られるＣＯ変成ガスを排熱回収水と熱交換して熱回収するようにした燃料電池装置における熱回収システムであって、排熱回収水とＣＯ変成ガスの熱交換を行うＣＯ変成ガス熱交換部の下流側に排熱回収水とカソードオフガスの熱交換を行うカソードオフガス熱交換部を配置して成ることを特徴とする燃料電池装置における熱回収システム。
2. 排熱回収水とＣＯ変成ガスの熱交換を行うＣＯ変成ガス熱交換部、排熱回収水とアノードオフガスの熱交換を行うアノードオフガス熱交換部よりも下流側に、排熱回収水とカソードオフガスの熱交換を行うカソードオフガス熱交換部、排熱回収水と改質器で発生する燃焼排ガスとの熱交換を行う燃焼排ガス熱交換部を配置して成ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置における熱回収システム。
   

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