JP2012022968A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】使用済みの燃料ガス中の水素ガスの有効利用を図りながらも、部分酸化反応による熱余り状態を解消することができる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】都市ガス３と空気２とを燃焼させた燃焼ガス８を発生させる燃焼器３２と、都市ガス３と水４と空気５とを燃焼器３２の燃焼ガス８により加熱反応させて燃料ガス６に改質する改質器３１とを備える燃料ガス供給装置３０と、改質器３１からの燃料ガス６を燃料電池本体１０に送給する燃料ガス供給ラインＬ１と、使用済みの燃料ガス６の一部を燃焼器３２に供給する燃料ガス排出ラインＬ２と、使用済みの燃料ガス６の残りを燃料電池本体１０に供給する燃料ガス循環利用ラインＬ３と、前記供給ラインＬ１の前記循環利用ラインＬ３との連絡点よりも燃料ガス６の流通方向下流側に配設されて燃料ガス６中から二酸化炭素をアミン溶液７により吸収除去するアミン処理装置４０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関する。

従来の燃料電池発電システムとしては、例えば、下記特許文献１等に記載されているものが知られている。この特許文献１に記載されている従来の燃料電池発電システムにおいては、都市ガスと水とを改質器の内部に供給し、都市ガスと空気とを燃焼器に供給して燃焼させた燃焼ガスの熱で加熱して、上記都市ガスを上記改質器の内部の触媒により水蒸気反応（吸熱反応）させると共にシフト反応させることにより（下記式（１），（３）参照）、水素ガスと二酸化炭素と水（水蒸気）とを含有する燃料ガスに改質した後、アミン溶液を入れられた二酸化炭素吸収装置内に上記燃料ガスを流通させて、二酸化炭素を吸収除去してから、燃料電池本体の内部の燃料極側に供給すると、当該燃料ガス中の水素ガスが、燃料電池本体の内部の酸化極側に供給された酸化ガスである空気中の酸素ガスと電気化学的に反応して、電力を発生することができるようになっている。

ＣＨ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ₂ − Ｑ₁ （１）（水蒸気反応）
ＣＯ ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ （３）（シフト反応）

そして、燃料電池本体で上記電気化学反応に寄与せずに残った水素ガスを含んだ使用済みの上記燃料ガスは、燃料電池本体の燃料極側から外部へ排出され、前記燃焼ガスの燃料として上記都市ガスと共に前記燃焼器に供給することにより、残存した水素ガスを有効利用すると同時に後処理（無害化）するようにしている。

特開２００４−２８８４１７号公報 特開２００４−２４４２７５号公報 特開２００５−１７９０８３号公報

ところで、前記特許文献１等に記載されている燃料電池発電システムにおいて、運転開始時の起動性を向上させるため、例えば、都市ガス及び水と共に、さらに空気を改質器内の触媒に対して供給することにより、上述した水蒸気反応（吸熱反応）に代えて、部分酸化反応（発熱反応）を生じさせることにより（下記式（２）参照）、水素ガスと二酸化炭素と水（水蒸気）とを含有する燃料ガスに改質することが考えられている。

ＣＨ₄ ＋ １／２Ｏ₂ → ＣＯ ＋ ２Ｈ₂ ＋ Ｑ₂ （２）（部分酸化反応）
ＣＯ ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ （３）（シフト反応）

しかしながら、前記特許文献１等に記載されている燃料電池発電システムで上記部分酸化反応（発熱反応）によって上記燃料ガスを得ようとすると、上記改質反応に必要な熱エネルギが上記水蒸気反応（吸熱反応）よりも大きく低下するため、前記改質器が熱余り状態となって過剰に加熱されてしまい、当該改質器の劣化や損傷を引き起こしてしまうおそれがあった。

このようなことから、本発明は、使用済みの燃料ガス中の水素ガスの有効利用を図りながらも、部分酸化反応による熱余り状態を解消することができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、本発明に係る燃料電池発電システムは、電解質を燃料極と酸化極とで挟んだセルを備える燃料電池本体と、酸素ガスを含有する酸化ガスを前記燃料電池本体の前記酸化極側に送給する酸化ガス供給手段と、炭化水素ガス含有ガスと空気とを燃焼させた燃焼ガスを発生させる燃焼器と、炭化水素ガス含有ガスと水と酸素ガス含有ガスとを前記燃焼器の前記燃焼ガスにより加熱反応させて水素ガス含有の燃料ガスに改質する改質器とを備える燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段の前記改質器で改質された前記燃料ガスを前記燃料電池本体の前記燃料極側に送給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池本体の前記燃料極側から排出された使用済みの前記燃料ガスの一部を、前記燃料ガス供給手段の前記燃焼器に前記炭化水素ガス含有ガス及び前記空気と共に供給して燃焼させるように当該燃料電池本体の前記燃料極側の排出側と当該燃焼器との間を連絡する燃料ガス排出ラインと、前記燃料電池本体の前記燃料極側から排出された使用済みの前記燃料ガスの残りを、前記燃料ガス供給手段の前記改質器で改質された前記燃料ガスと共に前記燃料電池本体の前記燃料極側に供給するように前記燃料ガス排出ラインと前記燃料ガス供給ラインとの間を連絡する燃料ガス循環利用ラインと、前記燃料ガス供給ラインの前記燃料ガス循環利用ラインとの連絡点よりも前記燃料ガス流通方向下流側、前記燃料ガス排出ラインの前記燃料ガス循環利用ラインとの連絡点よりも前記燃料ガス流通方向上流側、前記燃料ガス循環利用ライン、のうちの少なくとも一つに配設されて前記燃料ガス中から二酸化炭素をアミン溶液により吸収除去するアミン処理手段とを備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述した燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体の前記電解質が、固体高分子電解質であることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システムによれば、燃料電池本体の燃料極側から排出された使用済みの燃料ガスの一部を燃料ガス排気ラインによって燃焼ガスの燃料として燃料ガス供給手段の燃焼器に炭化水素ガス含有ガスと共に供給するだけにして、残りを燃料ガス循環利用ラインによって燃料ガス供給ラインに戻して、燃料ガス供給手段の改質器の燃料ガス送出口から送出された新たな燃料ガスと共に燃料電池本体の内部の燃料極側に送給することにより、残存した水素ガスの再利用及び後処理（無害化）を図るようにしたことから、部分酸化反応（発熱反応）によって燃料ガスを得ても、燃料ガス供給手段の改質器の過剰な加熱を防止することができ、当該改質器の劣化や損傷を防止することができるので、使用済みの燃料ガス中の水素ガスの有効利用を図りながらも、部分酸化反応による熱余り状態を解消することができる。

本発明に係る燃料電池発電システムの主な実施形態の概略構成図である。

本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

［主な実施形態］
本発明に係る燃料電池発電システムの主な実施形態を図１に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システムは、固体高分子電解質を燃料極と酸化極とで挟んだセルを複数備える固体高分子形の燃料電池本体１０と、酸素ガスを含有する酸化ガスである空気１を前記燃料電池本体１０の前記酸化極側に送給する酸化ガス供給手段である酸化ガス供給装置２０と、炭化水素ガス含有ガスである都市ガス３と空気２とを燃焼させた燃焼ガス８を発生させる燃焼器３２と、都市ガス３と水４と酸素ガス含有ガスである空気５とを前記燃焼器３２の前記燃焼ガス８により加熱反応させて水素ガス含有の燃料ガス６に改質する改質器３１とを備える燃料ガス供給手段である燃料ガス供給装置３０と、前記燃料ガス供給装置３０の前記改質器３１で改質された前記燃料ガス６を前記燃料電池本体１０の前記燃料極側に送給する燃料ガス供給ラインＬ１と、前記燃料電池本体１０の前記燃料極側から排出された使用済みの前記燃料ガス６の一部を、前記燃料ガス供給装置３０の前記燃焼器３２に前記都市ガス３及び前記空気２と共に供給して燃焼させるように当該燃料電池本体１０の当該燃料ガスの排出側と当該燃焼器３２との間を連絡する燃料ガス排出ラインＬ２と、前記燃料電池本体１０の前記燃料極側から排出された使用済みの前記燃料ガス６の残りを、前記燃料ガス供給装置３０の前記改質器３１で改質された前記燃料ガス６と共に前記燃料電池本体１０の前記燃料極側に供給するように前記燃料ガス排出ラインＬ２と前記燃料ガス供給ラインＬ１との間を連絡する燃料ガス循環利用ラインＬ３と、前記燃料ガス供給ラインＬ１の前記燃料ガス循環利用ラインＬ３との連絡点よりも前記燃料ガス６の流通方向下流側に配設されて前記燃料ガス６中から二酸化炭素をアミン溶液７により吸収除去するアミン処理手段であるアミン処理装置４０とを備えている。なお、前記燃料電池本体１０の前記酸化極側の排出側は、系外へ連絡している。

前記アミン処理装置４０は、前記燃料ガス６と前記アミン溶液７とを接触させる二酸化炭素吸収手段である二酸化炭素吸収装置４１と、前記アミン溶液７を加熱して当該アミン溶液７から二酸化炭素を放出させる二酸化炭素放出手段である加熱装置４２とを備えている。

前記二酸化炭素吸収装置４１は、アミン溶液７を内部に貯留すると共に、前記燃料ガス供給装置３０の前記改質器３１からの燃料ガス６を内部に送給される処理槽４１ａと、前記処理槽４１ａ内に配設されてアミン溶液７を散布する散布ノズル４１ｂと、前記処理槽４１ａ内に貯留されているアミン溶液７を前記散布ノズル４１ｂに送給する送給ポンプ４１ｃとを備えている。なお、図１中、４３は、処理槽４１ａの内部上方と外部との間の連通と遮断とを切り換えるバルブである。

また、前記アミン処理装置４０は、前記燃料ガス供給ラインＬ１の前記燃料ガス循環利用ラインＬ３との連絡点よりも前記燃料ガス６の流通方向下流側に並列に複数（本実施形態では２つ）配設されており、前記燃料ガス６中からの二酸化炭素の吸収除去を、選択したアミン処理装置４０で行うことができるように、燃料ガス５の流路を切り換える切換手段であるバルブ５１〜５４を備えている。

このような本実施形態に係る燃料電池発電システムにおいては、まず、前記バルブ４３を閉鎖しておき、燃料ガス供給装置３０の改質器３１と燃料電池本体１０の燃料極側との間で一方のアミン処理装置４０のみを連絡させるように、一方のアミン処理装置４０側の前記バルブ５１，５３を開放すると共に、他方のアミン処理装置４０側の前記バルブ５２，５４を閉塞した後、一方のアミン処理装置４０の送給ポンプ４１ｃを作動して、一方のアミン処理装置４０の処理槽４１ａ内で散布ノズル４１ｂによりアミン溶液７を上方から散布する。

続いて、燃料ガス供給装置３０の燃焼器３２を作動して、空気２と都市ガス３とを燃焼させて生成した燃焼ガス８の熱により、改質器３１を加熱すると共に、当該改質器３１に都市ガス３と水４と空気５とを供給すると、都市ガス３が改質器３１の内部の触媒（一般に、改質触媒、ＣＯ変性触媒、ＣＯ低減触媒等が充填されている。）により空気５中の酸素ガス及び水４の蒸気と部分酸化反応（発熱反応）及びシフト反応を生じることにより（下記式（２），（３）参照）、二酸化炭素及び水蒸気を含む水素ガスを含有する燃料ガス６（二酸化炭素濃度：約２３vol.％、水素ガス濃度：約７７vol.％）に改質される。

ＣＨ₄ ＋ １／２Ｏ₂ → ＣＯ ＋ ２Ｈ₂ ＋ Ｑ₂ （２）（部分酸化反応）
ＣＯ ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ （３）（シフト反応）

前記燃料ガス６は、前記燃料ガス供給ラインＬ１を流通し、前記バルブ５１を介して一方のアミン処理装置４０の処理槽４１ａ内に流入し、前記散布ノズル４１ｂから散布されるアミン溶液７と接触して、下記式（４）に示す反応を生じることにより、二酸化炭素がアミン溶液７に吸収除去され、二酸化炭素濃度が大幅に低減される（二酸化炭素ガス濃度：約２vol.％、水素ガス濃度：約９８vol.％）。

２ＲＮＨ₂ ＋ ＣＯ₂ → （ＲＮＨ₃）⁺（ＲＨＮＣＯＯ）^- （４）

二酸化炭素を除去された燃料ガス５は、前記バルブ５３を介して前記燃料ガス供給ラインＬ１を流通し、燃料電池本体１０の内部の燃料極側に送給され、酸化ガス供給装置２０から燃料電池本体１０の内部の酸化極側に供給された空気１と電気化学的に反応（水素ガス消費率：約９５％）することにより、電力を発生する。

そして、燃料電池本体１０で上記電気化学反応に寄与せずに残った水素ガスを含んだ使用済みの上記燃料ガス６（水素ガス濃度：約７０vol.％）は、燃料電池本体１０の燃料極側から排出されて前記燃料ガス排出ラインＬ２を流通し、その一部が、燃料ガス供給装置３０の燃焼器３２に都市ガス３と共に燃焼ガス８の燃料として供給されると共に、その残りが、前記燃料ガス排出ラインＬ２から前記燃料ガス循環利用ラインＬ３を流通して前記燃料ガス供給ラインＬ１に流入し、燃料ガス供給装置３０の改質器３１の燃料ガス送出口から送出された新たな燃料ガス６と合流して前記アミン処理装置４０の前記処理槽４１ａ内に送給され、前述したように二酸化炭素を吸収除去された後、前記燃料ガス供給ラインＬ１を流通して燃料電池本体１０の燃料極側に送給されることにより、残存した水素ガスが有効利用されると同時に後処理（無害化）される。

このようにして燃料ガス６中の二酸化炭素を吸収除去していき、一方のアミン処理装置４０のアミン溶液７の二酸化炭素吸収能力が飽和近くになったら、他方のアミン処理装置４０の送給ポンプ４１ｃを作動して、他方のアミン処理装置４０の処理槽４１ａ内での散布ノズル４１ｂによるアミン溶液７の散布を開始した後、燃料ガス供給装置３０の改質器３１と燃料電池本体１０の燃料極側との間で他方のアミン処理装置４０のみを連絡させるように、他方のアミン処理装置４０側の前記バルブ５２，５４を開放すると共に、一方のアミン処理装置４０側の前記バルブ５１，５３を閉塞すると、燃料ガス６は、一方のアミン処理装置４０から他方のアミン処理装置４０の処理槽４１ａ内に流入するように流路が切り換わり、上述した一方のアミン処理装置４０の場合と同様にしてアミン溶液７により二酸化炭素が吸収除去される。

このようにして燃料ガス６中の二酸化炭素の吸収除去を他方のアミン処理装置４０に切り換えたら、一方のアミン処理装置４０の送給ポンプ４１ｃの作動を停止して、一方のアミン処理装置４０の処理槽４１ａ内での散布ノズル４１ｂからのアミン溶液７の散布を停止した後、一方のアミン処理装置４０側の前記バルブ４３を開放すると共に、当該アミン処理装置４０の前記加熱装置４２を作動して処理槽４１ａ内のアミン溶液７を所定の温度（１２０℃程度）まで加熱すると、当該アミン溶液７が下記式（５）に示す反応を生じて二酸化炭素を放出し、再生処理される。アミン溶液７から放出された二酸化炭素は、上記バルブ４３を介して系外へ排出される。

（ＲＮＨ₃）⁺（ＲＨＮＣＯＯ）^- → ２ＲＮＨ₂ ＋ ＣＯ₂ （５）

このようにして一方のアミン処理装置４０のアミン溶液７を再生処理し終えたら、当該アミン処理装置４０側の前記バルブ４３を閉鎖すると共に、前記加熱装置４２の作動を停止する。そして、他方のアミン処理装置４０のアミン溶液７の二酸化炭素吸収能力が飽和近くになったら、燃料ガス６を他方のアミン処理装置４０から一方のアミン処理装置４０に流通させるように流路を切り換える。以下、上述した操作を繰り返すことにより、燃料ガス６中の二酸化炭素を連続的に吸収除去しながら燃料電池本体１０に燃料ガス６が継続して送給される。

つまり、前記特許文献１等に記載されている従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池本体の燃料ガス排出口から排出されたすべての使用済みの燃料ガスを燃焼ガスの燃料として都市ガスと共に改質器に供給することにより、残存した水素ガスの有効利用及び後処理（無害化）を図るようにしていたが、本実施形態に係る燃料電池発電システムでは、燃料電池本体１０の燃料極側から排出された使用済みの燃料ガス６の一部を燃料ガス排気ラインＬ２によって燃焼ガス８の燃料として燃料ガス供給装置３０の燃焼器３２に都市ガス３と共に供給するだけにして、残りを燃料ガス循環利用ラインＬ３によって燃料ガス供給ラインＬ１に戻して、燃料ガス供給装置３０の改質器３１の燃料ガス送出口から送出された新たな燃料ガス６と共にアミン処理装置４０に送給して二酸化炭素を吸収除去した後に燃料電池本体１０に送給することにより、残存した水素ガスの再利用及び後処理（無害化）を図るようにしたのである。

このため、本実施形態に係る燃料電池発電システムにおいては、上述した部分酸化反応（発熱反応）によって燃料ガス６を得ても、燃料ガス供給装置３０の改質器３１の過剰な加熱を防止することができ、当該改質器３１の劣化や損傷を防止することができる。

したがって、本実施形態に係る燃料電池発電システムによれば、使用済みの燃料ガス６中の水素ガスの有効利用を図りながらも、部分酸化反応による熱余り状態を解消することができる。

［他の実施形態］
なお、前述した実施形態では、処理槽４１ａ内のアミン溶液６を送給ポンプ４１ｃにより散布ノズル４２ｂから散布することにより、燃料ガス５とアミン溶液６とを接触させて燃料ガス５中の二酸化炭素を吸収除去するアミン処理装置４０を適用するようにしたが、これに代えて、他の実施形態として、例えば、前記改質器３１からの燃料ガス５を処理槽４１ａ内のアミン溶液６中でバブリングさせることにより、燃料ガス５とアミン溶液６とを接触させて燃料ガス５中の二酸化炭素を吸収除去するアミン処理装置を適用することも可能である。

また、アミン処理装置４０の加熱装置４２としては、電気ヒータ等のような一般的な加熱機器を適用することも可能であるが、燃料ガス供給装置３０の改質器３１の加熱に使用した燃焼ガス８の排気を熱源に利用する熱交換タイプとすれば、ランニングコストをより低減することができる。

さらに、例えば、燃料電池本体１０の運転温度が、アミン溶液７の二酸化炭素放出温度（１２０℃程度）よりも高い場合には、当該燃料電池本体１０の内部を温度調整する温調装置の温調液の熱を熱源に利用する熱交換タイプをアミン処理装置４０の加熱装置４２として適用すれば、ランニングコストをより低減することができる。

他方、例えば、燃料電池本体１０の運転温度が、アミン溶液７の二酸化炭素放出温度（１２０℃程度）よりも低い場合には、ヒートポンプ等を利用して昇温した熱媒を熱源に利用する熱交換タイプをアミン処理装置４０の加熱装置４２として適用することも可能である。

また、前述した実施形態では、アミン処理装置４０を並列に２つ配設するようにしたが、他の実施形態として、例えば、アミン処理装置４０を並列に３つ以上配設することも可能である。

また、前述した実施形態では、アミン処理装置４０を前記燃料ガス供給ラインＬ１の前記燃料ガス循環利用ラインＬ３との連絡点よりも前記燃料ガス６の流通方向下流側に配設するようにしたが、他の実施形態として、例えば、アミン処理装置４０を前記燃料ガス排出ラインＬ２の前記燃料ガス循環利用ラインＬ３との連絡点よりも前記燃料ガス６の流通方向上流側や、前記燃料ガス循環利用ラインＬ３に配設すると、アミン処理装置４０の小型化を図ることが可能となる。

しかしながら、前述した実施形態のように、アミン処理装置４０を前記燃料ガス供給ラインＬ１の前記燃料ガス循環利用ラインＬ３との連絡点よりも前記燃料ガス６の流通方向下流側に配設すると、前記燃料電池本体１０の内部の前記燃料極側に供給する燃料ガス６の水素ガス濃度を最も高めることができ、前記燃料電池本体１０の発電性能を向上させることができるので、好ましい。

また、前述した実施形態では、炭化水素ガス含有ガスとして都市ガス３を利用したが、本発明はこれに限らず、ＬＰガス等の常温常圧下でガス状をなすものはもちろんのこと、例えば、灯油等のような常温常圧下で液状をなす石油系燃料であっても、これを加熱気化させることにより、適用することができる。

本発明に係る燃料電池発電システムは、使用済みの燃料ガス中の水素ガスの有効利用を図りながらも、部分酸化反応による熱余り状態を解消することができるので、各種産業において極めて有益に利用することができる。

１，２，５ 空気
３ 都市ガス
４ 水
６ 燃料ガス
７ アミン溶液
８ 燃焼ガス
１０ 燃料電池本体
２０ 酸化ガス供給装置
３０ 燃料ガス供給装置
３１ 改質器
３２ 燃焼器
４０ アミン処理装置
４１ 二酸化炭素吸収装置
４１ａ 処理槽
４１ｂ 散布ノズル
４１ｃ 送給ポンプ
４２ 加熱装置
４３ バルブ
５１〜５４ バルブ

Claims (2)

1. 電解質を燃料極と酸化極とで挟んだセルを備える燃料電池本体と、
   酸素ガスを含有する酸化ガスを前記燃料電池本体の前記酸化極側に送給する酸化ガス供給手段と、
   炭化水素ガス含有ガスと空気とを燃焼させた燃焼ガスを発生させる燃焼器と、炭化水素ガス含有ガスと水と酸素ガス含有ガスとを前記燃焼器の前記燃焼ガスにより加熱反応させて水素ガス含有の燃料ガスに改質する改質器とを備える燃料ガス供給手段と、
   前記燃料ガス供給手段の前記改質器で改質された前記燃料ガスを前記燃料電池本体の前記燃料極側に送給する燃料ガス供給ラインと、
   前記燃料電池本体の前記燃料極側から排出された使用済みの前記燃料ガスの一部を、前記燃料ガス供給手段の前記燃焼器に前記炭化水素ガス含有ガス及び前記空気と共に供給して燃焼させるように当該燃料電池本体の前記燃料極側の排出側と当該燃焼器との間を連絡する燃料ガス排出ラインと、
   前記燃料電池本体の前記燃料極側から排出された使用済みの前記燃料ガスの残りを、前記燃料ガス供給手段の前記改質器で改質された前記燃料ガスと共に前記燃料電池本体の前記燃料極側に供給するように前記燃料ガス排出ラインと前記燃料ガス供給ラインとの間を連絡する燃料ガス循環利用ラインと、
   前記燃料ガス供給ラインの前記燃料ガス循環利用ラインとの連絡点よりも前記燃料ガス流通方向下流側、前記燃料ガス排出ラインの前記燃料ガス循環利用ラインとの連絡点よりも前記燃料ガス流通方向上流側、前記燃料ガス循環利用ライン、のうちの少なくとも一つに配設されて前記燃料ガス中から二酸化炭素をアミン溶液により吸収除去するアミン処理手段と
   を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池本体の前記電解質が、固体高分子電解質である
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。

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