JP2009266479A

JP2009266479A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2009266479A
Application number: JP2008112800A
Authority: JP
Inventors: Noboru Nakao; 昇中尾; Akitoshi Fujisawa; 彰利藤澤; Takeshi Yamashita; 岳史山下; Shinichi Miura; 真一三浦
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: JP5270215B2

Abstract

【課題】ＣＯ除去装置のさらなるコンパクト化を実現しうる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】原料ガスＡを改質して水素リッチな改質ガスＢを得る改質器を有する改質ガス製造装置１と、改質ガスＢからＣＯを吸着除去し水素ガスＣを得るＣＯ除去装置２と、スタックに供給された水素ガスＣを酸素含有ガスと反応させて発電する燃料電池３とを備えた燃料電池システムであって、ＣＯ除去装置２が、ＣＯ吸着剤を充填した２塔のＣＯ吸着塔２ａ，２ｂからなり、いずれかの１塔２ａにて前記ＣＯ吸着除去操作を行いつつ、他の塔２ｂにて燃料電池３のスタックオフガスＤを再生用ガスとして流通させてＣＯ吸着剤の再生操作を減圧下で行うように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料ガスを改質して得られる水素リッチガスをエネルギ源（燃料）として発電を行う燃料電池システムに関する。

近年、地球温暖化防止対策ともあいまって、エネルギの原油依存体質からの脱却が世界的規模で重要課題となっており、環境保全に対する取組みが先行する欧州の先進国はもとより、米国や日本をはじめとするアジア諸国においても、水素リッチガスをエネルギ源とする燃料電池の実用化に向けての取組みが活発化している。

燃料電池の燃料として使用される水素リッチガスの製造方法についても多くの研究が進められているが、現時点で最も安価で実現性の高い製造方法は、原料として天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノール、ジメチルエーテルなどを使用し、これらを改質して水素リッチな改質ガスを製造する方法である。

ただし、上記方法を採用した場合、改質工程で一酸化炭素（ＣＯ）が副生するため、水素リッチな改質ガス中には相当量のＣＯが混入してくる。このＣＯは、燃料電池を被毒し、発電効率を低下させることから、その除去法についても幾つかの研究が行なわれており、例えば、選択的酸化触媒を用いたＣＯ除去法（選択的酸化触媒法）や、吸着剤を用いたＣＯ除去法（吸着法）が検討されている。

選択酸化触媒法は、主に定置形燃料電池（家庭用燃料電池を含む）に対して開発が進められている技術であり、改質ガスに空気または酸素を添加し触媒を用いて改質ガス中のＣＯガスを選択的に酸化しＣＯ_２にして除去することでＣＯを除去し、燃料電池に対するＣＯの被毒を防止する技術である。常圧プロセスであること、比較的高い空塔速度（ＳＶ）で使用できることにより装置のコンパクト化が可能なことが本技術の特徴であるが、以下の課題を抱えている。

すなわち、(1)改質ガス中のＣＯ濃度を十分に低下させるためには、過剰の空気または酸素を導入する必要があるが、余剰の空気または酸素により燃料電池の燃料となるべき水素の一部が酸化され、水素収率が低下してしまうこと、(2)また、選択酸化触媒反応は発熱反応であるため、触媒層の入口ガス組成の変化など条件変化に対応して反応温度を一定に維持することが難しく、反応温度が上がりすぎた場合には触媒の劣化を招くこと、(3)さらに、触媒として白金（Ｐｔ）などの貴金属を担持させた触媒が使用されるため触媒コストが高いこと、等の問題を有している。

一方、吸着法として、本願発明者らは、特許文献１および特願２００７−１０７５０７号において、ＣＯを選択的に吸着するＣＯ吸着剤を用いて改質ガス中のＣＯを吸着除去し、ＣＯ吸着後のＣＯ吸着剤を高温下でカロリーガスを通じてＣＯ吸着剤の再生を行う燃料電池用水素ガスの製法を提案した。これらの方法を用いれば、上記従来の選択酸化触媒法と比較して、水素の燃焼による燃料水素のロスがなくなり、また吸着剤に安価な材料を用いてＣＯの除去が行えるため非常にメリットが大きい。

しかしながら、吸着法においてＣＯ吸着剤の再生を上記のように加熱再生方式で行う場合、再生操作に際してＣＯ吸着剤を該再生操作に適した温度まで加熱する必要があることに加え、再生操作完了後ＣＯ吸着除去操作に復帰させるに際して該ＣＯ吸着剤を該ＣＯ吸着除去操作に適した温度まで冷却する必要がある。

このため、ＣＯ吸着除去操作と再生操作の間での切り替えに際して加熱操作および冷却操作にそれぞれ一定の時間を要するので、吸着・再生のサイクルタイムを短く設定することが難しく、結果的に装置サイズが大きくなるという課題がある。

特に、家庭用燃料電池システムなど、設置面積を小さくする必要がある燃料電池システムに対しては、ＣＯ除去装置の更なるコンパクト化が強く要望されている。
特開２００６−１６４６６２号公報（特許請求の範囲など）

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ＣＯ除去装置のさらなるコンパクト化を実現しうる燃料電池システムを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、原料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを得る改質器を有する改質ガス製造装置と、前記改質ガスからＣＯを吸着除去し水素ガスを得るＣＯ除去装置と、スタックに供給された前記水素ガスを酸素含有ガスと反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池システムであって、前記ＣＯ除去装置が、ＣＯ吸着剤を充填した少なくとも２塔のＣＯ吸着塔からなり、いずれかの少なくとも１塔にて前記ＣＯ吸着除去操作を行いつつ、残りの塔にて前記燃料電池のスタックオフガスを再生用ガスとして流通させてＣＯ吸着剤の再生操作を減圧下で行うように構成したことを特徴とする燃料電池システムである。

請求項２に記載の発明は、前記残りの塔における再生操作時のガス圧力が、絶対圧で１ｋＰａ〜２０ｋＰａである請求項１に記載の燃料電池システムである。

請求項３に記載の発明は、前記少なくとも２塔のＣＯ吸着塔が、ＣＯ吸着剤層の前段および後段のいずれか一方または双方に水分吸着剤層を配置してなるものである請求項１または２に記載の燃料電池システムである。

請求項４に記載の発明は、前記水分吸着剤層に用いる水分吸着剤が、活性アルミナおよび／またはシリカゲルである請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

請求項５に記載の発明は、前記いずれかの少なくとも１塔におけるＣＯ吸着除去操作時の圧力が、正圧である請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

本発明によれば、ＣＯ除去装置を、ＣＯ吸着剤を充填した２塔以上のＣＯ吸着塔で構成するとともに、いずれかの少なくとも１塔にて前記ＣＯ吸着除去操作を行いつつ、残りの塔にて前記燃料電池のスタックオフガスを再生用ガスとして流通させてＣＯ吸着剤の再生操作を減圧下で並行して行うことで、ＣＯ吸着除去操作と再生操作の間での切り替えに際して長時間を要する加熱・冷却操作が不要ないし大幅に短縮される結果、吸着・再生のサイクルタイムが大幅に短縮され、ＣＯ除去装置のさらなるコンパクト化が実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

〔実施形態１〕
本発明に係る燃料電池システムの実施形態の一例を図１のフロー図に示す。同図において、符号１は改質用原料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを得る改質装置、符号２は前記改質ガスからＣＯを吸着除去し水素ガスを得るＣＯ吸着剤を充填したＣＯ除去装置、符号３は上記水素ガスをエネルギ源（燃料）として発電する燃料電池をそれぞれ示す。以下、装置ごとにさらに詳細に説明を行う。

（改質装置）
本発明に係る改質装置１としては、例えば通常用いられる水蒸気改質器と変成器（ともに図示せず）とを組み合わせて構成すればよい。上記改質器にて例えば都市ガスなど、天然ガス等の炭化水素を含有する原料ガスを水蒸気で改質してＨ_２およびＣＯを主成分とするガスとした後、上記変成器にてこのガスにさらに水蒸気を添加して変成しＨ_２を主成分とする（水素リッチな）改質ガスＢを生成する。この改質ガスＢ中には、Ｈ_２の他、少量のＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｏなどとともに、０．５容量％程度のＣＯが残留している。なお、後工程のＣＯ除去装置２においては低温ほど吸着反応が促進されることから、改質装置１とＣＯ除去装置２との間に高温の改質ガスＢを冷却するための熱交換器（図示せず）を設けるのが望ましい。

（ＣＯ除去装置）
本発明のＣＯ除去装置２としては、例えば図１に示すように、ＣＯ吸着剤を充填したＣＯ吸着塔２塔（２ａ，２ｂ）からなる構成を採用すればよい。ＣＯ吸着塔（以下、単に「塔」ともいう。）２ａ，２ｂは交互に切替運転を行い、一方の塔（本例では２ａ）が改質ガスＢのＣＯを吸着除去している間に、他方の塔（本例では２ｂ）ではＣＯ吸着剤の再生が行われる。

ＣＯ吸着除去操作の状態にあるＣＯ吸着塔２ａに対しては、仕切弁１１，１６が開放されており（仕切弁１２，１５は閉止）、改質装置１で製造された水素を含む改質ガスＢがＣＯ吸着剤の充填された吸着塔２ａに導入され、改質ガスＢからＣＯが除去される。そして、ＣＯ除去後の水素ガスＣは燃料電池３のスタックに供給される。

一方、再生操作の状態にあるＣＯ吸着塔２ｂに対しては、仕切弁１７，１４が開放されており（仕切弁１８，１３は閉止）、ＣＯ吸着剤を洗浄（再生）する再生用ガスとして燃料電池３のスタックから排出されるスタックオフガスＤが使用できる。再生に際してＣＯ吸着塔２ｂは真空ポンプで減圧され、略真空下で再生が行われる。

ＣＯ吸着剤の洗浄（再生）に使用された後の再生オフガスＥは、スタックで消費されなかった水素や、吸着剤から脱離したＣＯなど、カロリーガスを含有しているため、例えばバッファタンク５に貯蔵した後、上記改質器の加熱燃料として有効利用することができる。

ＣＯ吸着除去操作と再生操作の切り替えサイクルは、ＣＯ吸着塔２ａ，２ｂの温度スイング（加熱・冷却）を行わないため大幅に短縮でき、３〜５分程度に設定することが可能である。なお、温度スイングを行う従来の加熱再生方式では、切り替えサイクルを１５〜３０分程度に設定する必要があった。

以下、各塔における操作について順を追ってさらに詳細に説明を行う。

［ＣＯ吸着除去操作］：改質ガスＢをいずれか１塔（本例では２ａ）を通過させ、改質ガスＢ中のＣＯを選択的に吸着除去し、水素ガスＣに精製する。ＣＯ吸着剤としては、シリカ、アルミナ、活性炭、グラファイトおよびポリスチレン系樹脂よりなる群から選択される１種以上の担体に、ハロゲン化銅（Ｉ）および／もしくはハロゲン化銅（II）を担持させた材料、またはこの材料を還元処理したものが好適に用いられ、なかでもアルミナ担体に塩化銅（Ｉ）を担持した材料はＣＯに対する選択性が高く推奨される。このようなハロゲン化銅を担持させたＣＯ吸着剤は、ゼオライトモレキュラーシーブス、カーボンモレキュラーシーブス、活性炭、または活性アルミナといった従来の吸着剤に比べ数倍〜数十倍のＣＯ吸着容量を有するため、ＣＯ吸着塔を大幅に小型化できる。

［再生操作］：ＣＯ吸着除去操作に用いられていた他方のＣＯ吸着塔（本例では２ｂ）については、ＣＯ吸着剤の吸着性能を維持するために、ＣＯ吸着容量を超えてＣＯ吸着塔２ｂの出口側からＣＯが漏れ出てくる前にＣＯ吸着剤を再生する必要がある。ＣＯ吸着剤の再生は、吸着サイトに吸着したＣＯを脱離洗浄するため、ＣＯを実質的に含まないガスを流通させつつ行う。再生用ガスとして用いるＣＯを実質的に含まないガスとして、燃料電池３のスタックオフガスＤの全量または一部を使用する。再生用ガスの量は、改質ガスＢの量の０．５〜０．７倍程度とするとよい。

ここで、図２は、通常の改質ガスに含まれるＣＯ濃度０．５容量％、吸着温度４０℃の条件下で、該改質ガスからＣＯ吸着剤を用いてＣＯを吸着除去した後、該改質ガスの量の０．７倍の量の再生用ガスを用いて、再生温度４０℃の条件下でＣＯ吸着剤の再生を行った場合における、再生圧力とＣＯ吸着剤の再生度（吸着したＣＯ量に対する脱着したＣＯ量の割合）との関係を示している。

同図に示すように、再生圧力が絶対圧（以下、同じ。）で１ａｔｍ（≒１００ｋＰａ）における再生度は６７％程度であり、再生が十分に行われないが、再生圧力を真空（負圧）側に低下させることによりＣＯ吸着剤の再生度が著しく向上する。

再生圧力を０．２ａｔｍ（≒２０ｋＰａ）以下とすることで９０％以上の再生度が得られ、さらに０．１ａｔｍ（≒１０ｋＰａ）以下とすることで９８％以上の再生度が得られることがわかる。

このように、略真空下で再生することで、ＣＯ吸着剤の再生度が大幅に向上し、ＣＯ吸着除去操作と再生操作からなるサイクルを繰り返してもＣＯ吸着除去操作中にＣＯ吸着剤からＣＯガスが漏出することなく、長期間の連続運転が可能となる。

上述のように、ＣＯの脱離反応はガス圧力が低いほど促進されるため、ＣＯ吸着塔２ｂ内は真空ポンプ４にて１ｋＰａ〜２０ｋＰａの真空度まで減圧するのが好ましい。２０ｋＰａより高い圧力の真空度では、スタックオフガスＤを全量使用しても十分な再生ができない。一方、１ｋＰａより低い圧力の真空度では、使用する真空ポンプ５の動力を大きくする必要があり、燃料電池４で発電される電力量に対して、補機である真空ポンプ５で消費される電力量の割合が過大となり、燃料電池システム全体としての発電効率の低下を招く。より好ましい真空度は１ｋＰａ以上１０ｋＰａ未満である。

また、再生操作時におけるＣＯ吸着剤の温度（再生温度）は、６０℃以下、さらには５０℃以下とするのが好ましい。これにより、ＣＯ吸着除去操作時におけるＣＯ吸着剤温度（吸着温度）として推奨される常温〜４０℃程度の温度との温度差がほとんどなくなる結果、従来長時間を要していた、ＣＯ吸着除去操作と再生操作との切り替え時における加熱・冷却操作（温度スイング）を省略できる。

そして、この塔２ｂから真空ポンプ５により排気された再生オフガスＥは、燃料電池３のスタックから未反応（未燃）のまま排出された水素と、ＣＯ吸着剤から脱離したＣＯが含有されているので、バッファタンク５に貯蔵した後、例えば上記改質器の加熱用燃料Ｆとして有効利用するとよい。

ＣＯ吸着塔２ａ，２ｂに充填する吸着剤としては上述したようにＣＯを選択的に吸着するＣＯ吸着剤を用いるが、水分除去用の吸着剤（水分吸着剤）と併用してもよい。水分吸着剤としては、活性アルミナ、シリカゲルを用いることができ、あるいは、これらをともに用いることもできる。

ＣＯ吸着剤と水分吸着剤とを併用する場合は、例えばＣＯ吸着剤層の前段および後段の少なくとも一方に水分吸着剤層を配置して構成するのが好ましく、なかでも図３に示すように、ＣＯ吸着剤層８の前段および後段の双方に水分吸着剤層７、９を配置（積層）して構成するのが最も好ましい。同図（ａ）には、ＣＯ吸着除去操作時における改質ガスＢの流れ方向を示しているが、該ガス流れ方向に沿って水分吸着剤層７、ＣＯ吸着剤層８、水分吸着剤層９の順に積層されている。そして、同図（ｂ）には、再生時における再生ガス（スタックオフガス）Ｄの流れ方向を示しているが、ＣＯ吸着除去操作時とは逆方向にガスを流通させるとよい。

これにより、ＣＯ吸着除去操作時（同図（ａ）参照）には、水分吸着剤層７により改質ガスＢに含まれる水分が除去されるので、ＣＯ吸着剤層８のＣＯ吸着剤に水分が吸着することが防止され、ＣＯ吸着容量の増加やＣＯ吸着剤の耐久性向上に寄与する。

一方、再生時（同図（ｂ）参照）には、水分吸着剤層９により再生用ガス（スタックオフガス）Ｄから水分が除去されるので、この乾燥された再生用ガスＤによってＣＯ吸着剤層８はＣＯが除去され再生されるとともに、水分吸着剤層７も水分が除去され再生される。

また、再生時に水分を吸着した水分吸着剤層９は、ＣＯ吸着除去操作時（同図（ａ）参照）に、水分吸着剤層７を通過して乾燥された改質ガスＣによって水分が除去され再生される。

このようにして、ＣＯ吸着剤層８の上下流両側にそれぞれ設けられた水分吸着剤層７，９の働きにより、ＣＯ吸着剤および水分吸着剤の耐久性を向上させ、長期間高いＣＯ除去効率を維持することができる。

また、通常、燃料電池３の発電効率を高く維持するために、加湿器（図示せず）で水素ガスＣに加湿してから、燃料電池４のスタックに導入することが行われる。

これに対して本実施形態では、上述したように、水素ガスＣは、ＣＯ吸着除去操作時に水分吸着剤層９から除去された水分で既に加湿された状態でＣＯ除去装置１から排出される。したがって、本実施形態により加湿器を省略ないし小型化しうる効果も得られる。

（燃料電池）
各ＣＯ吸着塔につき、上記ＣＯ吸着除去操作および再生操作をサイクリックに切り替えて運転することにより、いずれかのＣＯ吸着塔は必ずＣＯ吸着除去操作の状態にすることができることから、ＣＯ除去装置１から連続的に水素ガスＣが燃料電池３のスタックに供給できる。そして、燃料電池３のスタックにて、この水素ガスＣを、別途導入した空気、酸素などの酸素含有ガスで反応させて発電を行う。これにより、ＣＯによる燃料電池の被毒を防止しつつ、連続して長期に安定した発電を行うことができる。

以上のように、いずれか１塔にてＣＯ吸着除去操作を行いつつ、他の塔にて吸着剤の再生操作を、該吸着剤を加熱することなく減圧下で並行して行うため、上記従来の加熱再生方式のように吸着剤の加熱・冷却に要する時間が不要となり、流通ガスのＳＶ値を大きく設定することが可能となり、ＣＯ除去装置１全体として必要なＣＯ吸着剤量を上記従来の加熱再生方式より大幅に低減でき、ＣＯ除去装置１のコンパクト化が実現できる。

以下、別の実施形態について説明を行うが、上記実施形態１と共通する部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ詳細に説明を行うこととする。

〔実施形態２〕
上記実施形態１では、ＣＯ吸着除去操作時の吸着圧力として常圧の例を示したが、正圧とすることで、改質ガスＢ中のＣＯ分圧が高くなり、ＣＯ吸着剤のＣＯ吸着容量が増加する。その結果、常圧の場合に比べてさらにＣＯ吸着塔の小型化が可能となる。

ここで、図４に、通常の改質ガスに含まれるＣＯ濃度０．５容量％の場合における、吸着圧力とＣＯ吸着剤のＣＯ飽和吸着量との関係を示す。同図に示すように、吸着圧力が高くなるにしたがってＣＯ飽和吸着量が増大し、１ａｔｍ（≒１００ｋＰａ）で吸着操作を行う場合と比較すると、３ａｔｍ（≒３００ｋＰａ）で吸着操作を行うとＣＯ飽和吸着量が約２倍になる。

したがって、ＣＯ吸着除去操作時の吸着圧力は正圧であれば上記ＣＯ吸着塔小型化の効果が得られるが、特に３ａｔｍ（≒３００ｋＰａ）以上の高圧とすることで、常圧である１ａｔｍ（≒１００ｋＰａ）の場合と比較してＣＯ吸着塔容積を約１／２以下に縮小することができ、その効果が大きい。

図５に高圧吸着方式を採用した燃料電池システムの例を示す。ＣＯ吸着塔を２塔（２ａ、２ｂ）用いているのは、図１に示す常圧吸着方式の場合と同様である。吸着塔２ａがＣＯ吸着除去操作の状態にある場合には、該ＣＯ吸着塔２ａは高圧で運転されるので、ＣＯを除去して得られる水素ガスＣは高圧で回収される。したがって、燃料電池４のスタックが常圧の水素ガスを燃料として発電を行う場合は、背圧弁６を用いて、吸着圧力（高圧）から常圧まで水素ガスＣの圧力を下げてから燃料電池４のスタックに導入すればよい。

一方、ＣＯ吸着塔２ｂではＣＯ吸着剤の再生が行われるが、まずは塔２ｂ内のガス圧力を常圧まで下げるため、仕切弁２９が解放される（仕切弁２８は閉止）。この過程ではスタックオフガスＤは仕切弁２７を介してバッファタンク６に貯められる（仕切弁５は閉止）。塔２ｂ内が常圧まで減圧された後は、さらに仕切弁２８を介して真空ポンプ５により減圧しながら、仕切弁２５を開放して（仕切弁２６，２７は閉止）スタックオフガスＤがＣＯ吸着剤の再生用ガスとして使用される。再生終了後はＣＯ吸着除去操作の準備のためにＣＯ吸着塔２ｂを昇圧する必要があるが、昇圧は高圧の改質ガスＢにより行われ、ＣＯ吸着塔２ａに改質ガスＢを流しながら、ＣＯ吸着塔２ｂを昇圧するため、三方弁３１，３２と流量制御弁４１，４２が用いられる。

ＣＯ吸着塔２ｂを通過してＣＯ吸着剤の洗浄に使用された後の再生オフガスＥは、上記実施形態１の場合と同様、燃料電池４のスタックから未反応（未燃）のまま排出された水素と、ＣＯ吸着剤から脱離したＣＯが含有されているので、バッファタンク５に貯蔵した後、例えば上記改質器の加熱用燃料Ｆとして有効利用するとよい。

ＣＯ吸着除去操作と再生操作との切り替えサイクルは、高圧と略真空との間を減圧・昇圧する必要があるものの、減圧・昇圧に要する時間は短いため、やはり３〜５分程度で切り替えることができる。

（変形例）
上記実施形態１および２では、ＣＯ除去装置１として２塔のＣＯ吸着塔で構成し、各１塔にてＣＯ吸着除去操作と再生操作をそれぞれ行う例を示したが、３塔以上のＣＯ吸着塔で構成し、上記各操作を行う塔数を変更してもよい。例えば、３塔で構成する場合、２塔でＣＯ吸着除去操作、残りの１塔で再生操作を行うようにしてもよいし、１塔でＣＯ吸着除去操作、残りの２塔で再生操作を行うようにしてもよい。２塔以上で再生操作を行う場合、例えば、これらの塔それぞれに並列に再生用ガスを流通させてもよいし、これらの塔を直列に接続して再生用ガスを１パスで流通させてもよい。

また、上記実施形態１および２（図１および５）において、改質装置１とＣＯ除去装置２との間に、改質ガスＢ中のＨ_２Ｏを除去する除湿装置を設けてもよい。除湿装置としては、改質ガスＢを冷却してドレイン水として除去する機器や吸着式の除湿器が使用できる。吸着式の除湿器を用いる場合、吸着剤としてはアルミナ系もしくはシリカ系の吸着剤を用いることができ、さらにはこれらを併用して用いることもできる。これにより燃料電池３のスタックに導入されるＣＯ除去ガスＣの水素濃度が高まり、発電効率がさらに向上する。

また、上記実施形態１および２では、改質装置１として改質器と変成器の組み合わせを例示したが、変成器に代えてセラミックフィルタ等の粗製分離膜を用いてもよい。すなわち、上記実施形態では、改質装置として原料ガスを水蒸気で改質した後に変成して水素リッチな改質ガスを得る装置構成を例示したが、水蒸気で改質した後にセラミックフィルタ等の粗製分離膜を流通させて水素濃度を高めて水素リッチな改質ガスを得る装置構成も当然に適用できる。

さらには、ＣＯ吸着剤のＣＯ吸着性能によっては、変成器を省略して改質器のみのプロセスも成立しうる。すなわち、改質装置として、水蒸気で改質しただけで改質ガスを得るようにした、水蒸気改質器のみからなる装置構成も適用可能である。変成器を省略した場合、改質ガスＢ中のＨ_２生成量は減少するもののＣＯ_２生成量も減少するため、ＣＯ除去後の水素ガスＣの水素純度が上昇し、燃料電池３の効率が向上する。また、貴金属触媒が用いられる変成器が省略されることで、機器コストが安価になるというメリットもある。さらには水蒸気改質に代えて部分酸化を用いて改質ガスを得るようにした、部分酸化改質器のみからなる装置構成、あるいは部分酸化により改質させると同時に水蒸気で改質して改質ガスを得るようにした、部分酸化・水蒸気改質器のみからなる装置構成も適用しうるものである。

実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示すフロー図である。再生圧力とＣＯ吸着剤の再生度との関係を示すグラフ図である。ＣＯ吸着塔内における、ＣＯ吸着剤層と水分吸着剤層の積層状態を示す縦断面図であり、（ａ）はＣＯ吸着除去操作時、（ｂ）は再生操作時、における各ガス流れ方向を示す。吸着圧力とＣＯ吸着剤のＣＯ飽和吸着量との関係を示すグラフ図である。実施形態２に係る燃料電池システムの構成を示すフロー図である。

符号の説明

１…改質装置
２…ＣＯ除去装置
２ａ，２ｂ…ＣＯ吸着塔
３…燃料電池
４…真空ポンプ
５…バッファタンク
６…背圧弁
Ａ…原料ガス
Ｂ…改質ガス
Ｃ…水素ガス
Ｄ…スタックオフガス
Ｅ…再生オフガス
Ｆ…加熱用燃料
１１〜１８、２１〜２９…仕切弁
３１、３２…三方弁
４１、４２…流量制御弁

Claims

原料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを得る改質器を有する改質ガス製造装置と、前記改質ガスからＣＯを吸着除去し水素ガスを得るＣＯ除去装置と、スタックに供給された前記水素ガスを酸素含有ガスと反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池システムであって、
前記ＣＯ除去装置が、ＣＯ吸着剤を充填した少なくとも２塔のＣＯ吸着塔からなり、
いずれかの少なくとも１塔にて前記ＣＯ吸着除去操作を行いつつ、
残りの塔にて前記燃料電池のスタックオフガスを再生用ガスとして流通させてＣＯ吸着剤の再生操作を減圧下で行うように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
前記残りの塔における再生操作時のガス圧力が、絶対圧で１ｋＰａ〜２０ｋＰａである請求項１に記載の燃料電池システム。
前記少なくとも２塔のＣＯ吸着塔が、ＣＯ吸着剤層の前段および後段のいずれか一方または双方に水分吸着剤層を配置してなるものである請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記水分吸着剤層に用いる水分吸着剤が、活性アルミナおよび／またはシリカゲルである請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記いずれかの少なくとも１塔におけるＣＯ吸着除去操作時の圧力が、正圧である請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。