JP2014107056A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池排ガス中の二酸化炭素を利用して原料ガスを二酸化炭素改質して水素含有合成ガスを製造し、この水素含有合成ガスを燃料電池に供給するよう構成した燃料電池システムにおいて、起動を容易に行うことができるようにし、また高効率運転を可能とする。
【解決手段】部分改質器１と、該部分改質器１からのガスが導入可能な二酸化炭素改質器２と、二酸化炭素改質器２からの水素含有合成ガスが導入可能な燃料電池３と、燃料電池３のアノード排ガスを冷却して気水分離し、ドライガスとするための気水分離器６と、該ドライガスと、燃料電池３のカソード排出ガスとが導入される燃焼部４と、該燃焼部４からの燃焼排ガスによって空気を加温するための熱交換器５とを備えている。起動時には部分改質器１からの改質ガスを燃料電池３に供給し、定常運転時には二酸化炭素改質ガスを燃料電池３に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガスやＬＰＧなどの原料ガスを改質して水素含有ガスを製造し、この水素含有ガスを燃料電池に供給して発電を行う燃料電池発電システムに関する。

都市ガスやＬＰＧなどの燃料ガスを改質して水素含有ガスを製造し、この水素を酸素と反応させて発電する燃料電池発電システムは、電気化学反応によって燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、エネルギー変換に伴って発生する損失が少なく、高い発電効率を得ることができる。

固体酸化物型燃料電池システムは、主に燃料にメタンを用いるため、その燃料の改質には水蒸気改質法か、部分酸化、更には、この両者を組み合わせたオートサーマル法といった手法が採用されている。

水蒸気改質法を用いた場合には、燃料電池システムに水ポンプ、イオン交換樹脂や気化器といった水処理関係の補機設置するため複雑なシステム構成となり、かつ水ポンプなどが故障した場合には改質が不十分となり固体酸化物燃料電池システムに故障を引き起こすおそれがある。

部分酸化法を用いた場合には、本来発電に寄与する燃料を燃焼させて、水を生成することから、効率低下を引き起こし、固体酸化物形燃料電池の高効率という特徴を生かすことができない。

特許文献１には、原料ガスを二酸化炭素改質器で改質して水素含有合成ガスを生成させ、この水素含有合成ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムであって、燃料電池の排ガスを該二酸化炭素改質器に供給し、排ガス中のＣＯ_２によって原料ガスの二酸化炭素改質を行うようにした燃料電池システムが記載されている。しかしながら、この燃料電池システムでは、システム起動時には燃料電池からＣＯ_２が得られず、二酸化炭素改質反応を行うことができない。また、特許文献１の燃料電池システムでは、起動当初、燃料電池を純メタンに近い燃料で運転することになるため、定常運転状態に到達するまで著しく長時間を要する；燃料電池スタックを初期のドライメタン燃料に耐えられるものとする必要がある；コーキングのおそれがある；などの短所がある。

特開２０１０−１５８６０

本発明は、燃料電池排ガス中の二酸化炭素を利用して原料ガスを二酸化炭素改質して水素含有ガスを製造し、この水素含有ガスを燃料電池に供給するよう構成した燃料電池システムにおいて、起動を容易に行うことができるようにし、高効率運転を可能とすることを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、二酸化炭素を含むアノード排ガスを発生する燃料電池と、該燃料電池の前段に配設され、該燃料電池のアノード排ガスに含まれる二酸化炭素を利用して、炭化水素系の原料ガスを二酸化炭素改質し、一酸化炭素と水素を含むガスを生成させる二酸化炭素改質器とを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの起動時に原料ガスを部分改質して該燃料電池に供給する部分改質器を備えたことを特徴とするものである。

本発明の燃料電池システムの一態様では、前記部分改質器からのガスが前記二酸化炭素改質器を通過して前記燃料電池に供給可能とされている。

この場合、原料ガスを部分改質器に供給すると共に、燃料電池システムの起動時には空気を前記部分改質器に供給し、燃料電池からのアノード排ガスを二酸化炭素改質器に供給しないものとし、前記燃料電池のアノード排ガス温度が所定温度以上となり、且つ燃料電池の単位時間当りのＣＯ_２排出量が、単位時間当りに燃料電池システムに導入される炭化水素ガスの反応当量以上となったときに、部分改質器への空気供給を停止し、アノード排ガスを二酸化炭素改質器に供給することが好ましい。

本発明の燃料電池システムは、空気の前記部分改質器への供給と供給停止とを切り替えるための原料ガス切替手段と、前記燃料電池からのアノード排ガスの該二酸化炭素改質器の供給と供給停止とを切り替えるための排ガス切替手段とを備えることが好ましい。

本発明の燃料電池システムにあっては、起動時に原料ガスを部分改質器によって改質して水素含有ガスを製造し、この水素含有ガスを燃料電池に供給し、燃料電池を昇温させる。燃料電池が所定温度以上になったならば、燃料電池のアノード排ガスを二酸化炭素改質器に供給し、原料ガスを二酸化炭素改質して燃料電池に供給する。これにより、起動時間を著しく短縮することができる。

本発明においては、燃料電池システムが起動した後は、燃料電池のアノード排ガスに含まれる二酸化炭素を利用して、炭化水素系の原料ガスを二酸化炭素改質して水素含有ガスを生成させ、この水素含有ガスを燃料電池に供給して発電を行うようにしているので、水蒸気改質の場合のような種々の補機が不要であり、構成が簡易で、効率のよい燃料電池システムを構築することが可能になる。

実施の形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 実施の形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 実施の形態に係る燃料電池システムの作動を説明するフローチャートである。

以下、図１〜３を参照して実施の形態について説明する。図１は実施の形態に係る燃料電池システムの概略的なブロック図であり、（ａ）図は起動時、（ｂ）図は定常運転時を示している。

この燃料電池システムは、原料ガスを部分改質するための部分改質器１と、該部分改質器１からのガスが導入可能な二酸化炭素改質器２と、二酸化炭素改質器２からの水素含有ガスが導入可能な燃料電池（この実施の形態では固体酸化物型燃料電池ＳＯＦＣ）３と、燃料電池３のアノード（燃料極）側からの二酸化炭素含有排ガスを冷却して気水分離し、ドライガスとするための気水分離器６と、該ドライガスと、燃料電池３のカソード（空気極）側の排出ガスとが導入される燃焼部４と、該燃焼部４からの燃焼排ガスによって空気を加温するための熱交換器５とを備えており、該熱交換器５で加温された空気が燃料電池３のカソードへ供給可能とされている。

図２は燃料電池システムの詳細図であり、燃料電池システムは上記の通り部分改質器１、二酸化炭素改質器２、燃料電池３、燃焼部４、熱交換器５及び気水分離器６を備えている。これらのうち二酸化炭素改質器２、燃料電池３、燃焼部４及び熱交換器５は断熱性を有したケース７内に設置され、燃料電池３及び燃焼部４の熱が二酸化炭素改質器２に伝わるように構成されている。

原料ガスライン８は部分改質器１に接続されている。

空気供給ライン９は、ライン１０，１１に分岐しており、ライン１０はバルブＶ_１を介して部分改質器１に接続され、ライン１１はバルブＶ_２を介して熱交換器５に接続されている。熱交換器５で加温された空気は、ライン１２を介して燃料電池３の空気極（カソード）に導入される。

気水分離器６からのドライガスライン１３は、ライン１４，１５に分岐されている。ライン１４はバルブＶ_３を経て二酸化炭素改質器２に接続され、ライン１５はバルブＶ_４を経て燃焼部４に接続されている。

部分改質器１、二酸化炭素改質器２、燃料電池３にそれぞれ設けられた温度センサＴ_１，Ｔ_２，Ｔ_３の検出温度信号が制御器２０に入力される。また、ドライガスライン１３に、ＣＯ_２濃度センサ１６、流量計１７及び温度センサＴ_４が設置されており、その検出信号が制御器２０に入力される。制御器２０には操作盤２１から起動信号又は停止信号が与えられる。制御器２０は、これらの信号に基づいてバルブＶ_１〜Ｖ_４に制御信号を出力する。

図３はこの燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。この燃料電池システムを起動させるべく、操作盤２１の起動スイッチをＯＮとすると、バルブＶ_１，Ｖ_２，Ｖ_４が開、バルブＶ_３が閉とされ、図１（ａ）の通り、ライン８，１０を介して原料ガスと空気が部分改質器１に供給され、部分改質反応により水素含有ガスが生成する。原料ガスがメタンである場合、この部分改質反応は次の通りである。
ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２ → ＣＯ＋２Ｈ_２

この水素含有ガスが二酸化炭素改質器２を通過して燃料電池３に供給される。この場合、バルブＶ_３は閉であり、二酸化炭素改質器２に燃料電池３からのアノード排ガスは供給されず、部分改質器１からの水素含有ガスはそのまま（即ち、二酸化炭素改質器２を素通り状に通過して）燃料電池３の燃料極（アノード）に供給される。この起動時には燃料電池３は発電出力を出力させず、燃料電池３はこの部分改質ガスの熱によって加熱される。燃料電池３のアノード排ガスは、気水分離器６からライン１３，１５を経て燃焼部４に供給される。そして、熱交換器５及び燃料電池３のカソードを経て燃焼部４に供給された空気によってアノード排ガスが燃焼し、ＣＯ，Ｈ_２がＣＯ_２，Ｈ_２Ｏとなる。燃焼部４からの燃焼排ガスは熱交換器５にて空気を加温した後、排ガスとして燃料電池システム外に排出される。

この起動運転を継続すると、燃料電池３が次第に昇温し、また二酸化炭素改質器２も次第に昇温する。燃料電池３の温度Ｔ_３が所定温度（例えば６００〜８００℃の間から選定された温度）にまで昇温したならば（そして、このときに、部分改質器１の温度Ｔ_１が７００〜８００℃の間から設定される所定温度以上であるならば）、燃料電池３から発電電力を出力させる。その後、燃料電池３のアノード排ガスのＣＯ_２濃度、流量及び温度から算出されるアノードからの単位時間当りのＣＯ_２排出モル量が、燃料電池システムに供給される単位時間当りのメタン供給モル量以上となったならば、バルブＶ_１を閉とし、図１（ｂ）のように、部分改質器１への空気供給を停止する。これにより、原料ガスは部分改質器１を素通りして二酸化炭素改質器２に供給される。これと共に、バルブＶ_３を開とし、アノード排ガスの一部を二酸化炭素改質器２に供給し、原料ガスの二酸化炭素改質を行う。この二酸化炭素改質反応は次の通りである。
ＣＨ_４＋ＣＯ_２ → ２ＣＯ＋２Ｈ_２

この二酸化炭素改質反応ではメタンと二酸化炭素とは等モルで反応するため、アノード排ガスの二酸化炭素改質器への供給量は、二酸化炭素改質器２に導入されるメタンと等モル以上のＣＯ_２が二酸化炭素改質器２に導入されるように設定する。

原料ガスをこの二酸化炭素改質器２で反応させて製造した水素含有ガスを燃料電池３に供給して燃料電池３の運転を続行し、定常運転とする。

停止スイッチが操作されたならば、原料ガスの供給を停止し、機器の降温後、空気供給を停止すると共に、冷却ファン等の動作を停止させる。

このように、この実施の形態によると、起動時に部分改質器１によって水素含有ガスを生成させて燃料電池３を速やかに起動させるので、起動時間を短くすることができる。また、水蒸気改質設備のような水ポンプ、イオン交換樹脂、気化器等の補機が不要であり、システムが簡易であり、メンテナンスも容易である。さらに、定常運転時には原料ガスに二酸化炭素を使用するので、排ガス温度を高く設定できるため、排熱を有効に利用することが可能である。

上記実施の形態では、固体酸化物型燃料電池を用いた燃料電池システムを例にとって説明したが、本発明は、種々のタイプの燃料電池、例えば、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）などを用いる燃料電池システムなどに適用することが可能である。また、原料ガスはメタン以外の炭化水素ガスであってもよい。

１ 部分改質器
２ 二酸化炭素改質器
３ 燃料電池
４ 燃焼部
５ 熱交換器
６ 気水分離器
１６ ＣＯ_２センサ
２０ 制御器
２１ 制御盤

Claims (4)

1. 二酸化炭素を含むアノード排ガスを発生する燃料電池と、
   該燃料電池の前段に配設され、該燃料電池のアノード排ガスに含まれる二酸化炭素を利用して、炭化水素系の原料ガスを二酸化炭素改質し、一酸化炭素と水素を含む合成ガスを生成させる二酸化炭素改質器と
   を有する燃料電池システムにおいて、
   燃料電池システムの起動時に原料ガスを部分改質して該燃料電池に供給する部分改質器を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記部分改質器からのガスが前記二酸化炭素改質器を通って前記燃料電池に供給可能とされていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２において、原料ガスを部分改質器に供給し、燃料電池システムの起動時に空気を前記部分改質器に供給し、燃料電池のアノード排ガスを二酸化炭素改質器に供給せず、
   前記燃料電池のアノード排ガス温度が所定温度以上となり、且つ燃料電池の単位時間当りのＣＯ_２排出量が、単位時間当りに燃料電池システムに導入される炭化水素ガスの反応当量以上となったときに、部分改質器への空気供給を停止し、アノード排ガスを二酸化炭素改質器に供給することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   空気の前記部分改質器への供給と供給停止とを切り替えるための空気切替手段と、前記燃料電池のアノード排ガスの該二酸化炭素改質器の供給と供給停止とを切り替えるためのアノード排ガス切替手段と
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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