JP2634188C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はリン酸型燃料電池発電装置に関するものである。 〔従来の技術〕 第３図は例えば「リン酸型燃料電池発電技術の将来展望」第２報、3.2−９頁
（通商産業省工業技術院発行 MITI−AIST−MIL−FC−02）に示された従来のリン
酸型燃料電池発電装置のプロセスフローを示す図であり、図において、（１）は
燃料とスチームを反応させて水素を得る改質器、（２），（３）はこの改質器（
１）により改質されたガス（以下、改質ガスという）と燃料との熱交換を行ない
、燃料の予熱を行なう熱交換器、（５）は改質ガス中の水素と酸化性ガスとして
の空気より直流電力を得るリン酸型の燃料電池、（６）は改質器（１）へのスチ
ームと燃料電池（５）を冷却するための加圧水を得る水蒸気分離器、（７）は燃
料電池（５）を冷却する冷却水を循環させるポンプ、（８）は燃料中に含まれる
硫黄を除去する脱硫器、（９）は燃料電池(５)により発生した直流電力を交流電
力に変える直交変換装置、(10) は改質器（１）により改質された改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水素と二酸
化炭素に変える高温ＣＯ変成器、（11）は、さらに残つた一酸化炭素を水素と二
酸化炭素に変える低温ＣＯ変成器、（12），（13）は高温ＣＯ変成器（10）を出
たガスを低温ＣＯ変成器（11）に適した温度まで下げる中間冷却器、（14），（
15），（16）は低温ＣＯ変成器（11）を出たガスを冷却する改質ガス冷却器であ
る。 高温ＣＯ変成器（10）と低温ＣＯ変成器（11）には、反応を促進するためのＣ
Ｏ変成触媒、例えば鉄−クロム系（高温用）、酸化亜鉛系（低温用）の触媒が保
持されている。さらにその器壁には、電気ヒータがそれぞれ付けてある（何れも
図示せず）。 次に動作について説明する。改質器（１）は、ＬＮＧなどの炭化水素と水蒸気
分離器（６）から供給される水蒸気を原料として水素リッチなガスである改質ガ
スを作る。この改質ガス中にはＣＯがかなり多く含まれており、このＣＯは燃料
電池（５）への触媒毒となる。そのためＣＯ濃度を低く（１％以下程度）する必
要がありＣＯ変成器（10），（11）が用いられる。ＣＯ変成器（10），（11）内
の反応は ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ （１） で表わされる発熱反応であり、ＣＯ濃度を下げると同時にＨ₂を生成する効果も
ある。従来のＣＯ変成器（10），（11）はドラム形状の断熱形（例えば特開昭59
−128201号公報）であつたため、ＣＯ変成器内で発生した熱は、反応ガス自体の
温度上昇となる。低温ＣＯ変成触媒の動作温度範囲が狭いため低温ＣＯ変成器内
の発熱量を押えるべく２段に分け、前段の高温ＣＯ変成器（10）でＣＯ濃度を数
％程度まで下げ、（12），（13）の中間冷却器で温度を下げた後、低温ＣＯ変成
器（11）で更に低濃度へ下げる。燃料を予熱するための熱交換器（２），（３）
は改質ガスを高温ＣＯ変成触媒の動作温度まで下げるのに用いられる。 低温ＣＯ変成器（11）を出た改質ガスは改質ガス冷却器（14），（15），（16）
によって燃料電池（５）の燃料極（5a）に適した温度まで下げられた後燃料極（
5a）へ供給される。燃料電池（５）の反応熱は水蒸気分離器（６）より の加圧水により除去されこの熱の一部は、改質器（１）へ供給する水蒸気を加圧
水から生成するために用いられる。 次に上記ＣＯ変成器の冷起方法について説明する。 主としてドラム形状の高温ＣＯ変成器（10）と低温ＣＯ変成器（11）の外壁に
巻かれた電気ヒータからの熱によつて高温・低温ＣＯ変成触媒の昇温が行なわれ
る。この際、機器外壁より触媒層中心部への熱伝達を良くするため触媒層内に窒
素ガスを流している。高温・低温ＣＯ変成器がスチーム凝縮温度以上になればス
チームを流すこともある。これらの窒素ガスやスチームは改質器により加熱され
たものを導くので、これらのガスからも補助的に触媒層へ熱が与えられる。以上
のようにしてＣＯ変成器（10），（11）の冷起動が行なわれる。 〔発明が解決しようとする課題〕 従来のリン酸型燃料電池発電装置は以上のように構成されていたので、ＣＯ変
成器として高温ＣＯ変成器、中間冷却器、低温ＣＯ変成器、改質ガス冷却器の４
つの構成要素が必要であり、そのため装置が大形となり熱損失も大きいという問
題点があつた。また、運転方法として、上記ＣＯ変成器を冷起動させるために電
気ヒータの取付が必要で電力消費量が大きくまた昇温時間も長くかかること、さ
らにユーテイリテイとして窒素ガスを多量に使用するなどの問題点があつた。 本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、ＣＯ変成器を
一段にすることができ、従つて機器類を減らして装置をコンパクトにすることが
でき、さらに放熱量が小さく、熱効率の高いリン酸型燃料電池発電装置を得るこ
とを目的とする。さらに、電気ヒータの取付や無駄な電力消費量が少なく、短時
間でＣＯ変成器を冷起動できる運転方法を提供することを目的とする。 〔課題を解決するための手段〕 この発明に係わるリン酸型燃料電池発電装置は水蒸気分離器によつて得られた
加圧水を直接用いて、低温ＣＯ変成触媒を充填したＣＯ変成器の反応熱を除去す
るように構成し、改質ガスの温度を変成触媒の動作温度まで低下さ せる熱交換器を、改質器とＣＯ変成器との間に設けたものである。 〔作用〕 この発明におけるＣＯ変成器は、水蒸気分離器より導かれた加圧水により、反
応熱が除去され、水蒸気分離器よりの加圧水に近い温度で反応が進む。 〔実施例〕 以下この発明の一実施例を図について説明する。第１図において、（１），（
２），（３），（５），（６），（７），（８），（９）は上述した従来装置と
同一である。 （４）はＣＯ変成器であり、この実施例では第２図に示すような、いわゆるシ
エル＆チユーブ型熱交換器の形状をしている。チユーブ（4a）側には、例えば、
銅・亜鉛系触媒などの低温ＣＯ変成触媒（41）が充てんされており、入口部は燃
料ガス予熱器（３）の出口と、出口部は燃料電池（５）の燃料極（5a）の入口部
にそれぞれ接続されている。シエル側（4b）の入口部はポンプ（７）を介して水
蒸気分離器（６）の加圧水部（6a）に接続されており、出口部は水蒸気分離器（
６）の蒸気部（上部）に接続されている。 次に動作について説明する。 改質器（１）は、従来のものと同一である。改質器（１）を出た水素リツチガ
ス（改質ガス）は熱交換器（２），（３）により、ＣＯ変成器（４）中の低温Ｃ
Ｏ変成触媒（41）の動作温度（180℃〜280℃）まで降温される。ＣＯ変成器（４
）に入つた改質ガスは従来のものと同様に（１）式の反応が進み発熱する。水蒸
気分離器（６）の加圧水部（6a）よりポンプ（７）により循環される加圧水がＣ
Ｏ変成器（４）のシエル側（4b）へ導入され、チユーブ（4a）内で発生した熱が
除去される。水蒸気分離器（６）の加圧水は、燃料電池用冷却水や改質器へのス
チーム供給源としての役割を持つためその温度は通常170〜180℃程度であり、低
温ＣＯ変成触媒（41）の動作温度の下限にほぼ等しい。従って、冷却水との熱交
換部分の面積を過剰にしたとしても、最も冷却される場合で170℃程度であり、
冷やし過ぎる恐れかなく、複雑な加圧水の流量制御を行なわなくても低温ＣＯ変
成触媒の温度コントロールは容易である。反応熱は加圧水により水蒸気分離器（
６）へ導入され、改質器 （１）への水蒸気の供給や給湯や吸収式冷凍器などに利用される。ＣＯ変成器（
４）を出た改質ガスは、冷却水（加圧水）で十分に冷却することで冷却水の温度
近く（例えば170〜200℃）まで冷却されており、この温度は電池燃料極へ供給す
るのに適当な温度であるため、電池直前にさらに改質ガス冷却器を設ける必要は
ない。 このように、この実施例の装置によれば、熱交換器（２），（３）により、改
質器（１）からの改質ガスの温度を低温変成触媒の動作に適した温度まで低下さ
せているため、高温ＣＯ変成器（又は高温ＣＯ変成触媒）が不要となる。さらに
、ＣＯ変成器（４）内で反応により発生した熱は、冷却水により即座に除去され
るため、低温ＣＯ変成触媒の動作温度内での運転が可能となる。即ち、ＣＯ変成
器（４）が水冷式でなければ、自分で発生した熱により低温ＣＯ変成触媒の動作
温度を超えてしまうことになる。 なお、上記ＣＯ変成器（４）の改質ガス入口部の触媒層部に充てん予熱層を設
け（図示省略）、上記加圧水と充分接触させるようにすれば、充てん予熱層部に
て改質ガスの温度が調節される。即ち、燃料電池発電装置では負荷の変動、改質
ガス流量の変化巾が大きい。この時、改質器（１）や改質器（１）とＣＯ変成器
（４）間の熱交換器（２），（３）の動作条件が変化し、ＣＯ変成器（４）入口
での改質ガス温度が変化する。ＣＯ変成器（４）に上記のような充てん層予熱部
を設けることにより、触媒層部の改質ガス温度がほゞ一定に保たれ、安定した反
応が達成される。 次に上記のように構成された実施例装置を運転する方法、特にＣＯ変成器の冷
起動方法の実施例について説明する。 冷状態では燃料電池（５）は、他の反応器、機器とは異なり、通常100℃以下
程度の温度に保持する必要がある。これには水蒸気分離器（６）よりの冷却水ラ
インを使用して保温するのが通常である。 このため電気ヒータを水蒸気分離器（６）内、もしくは電池冷却水ラインに設
置するか、ガス焚きボイラを水蒸気分離器（６）内に設置するかにより水蒸気分
離器（６）内の水を加熱している。また電池の昇温にも、上述の装置が使用され
る。 ＣＯ変成器（４）の冷起動は、水蒸気分離器（６）よりポンプ（７）により循
環する加圧水を用いＣＯ変成器（４）の触媒部（41）を昇温する。これにより、
特別な電気ヒータが不要となる。また、チユーブ（4a）の本数を増やしたり、伝
熱フインを付けて伝熱面積を大きくすることにより、Ｎ2 ガス使用量を低減させ
たり、冷起動時間の短縮が可能となる。 上記実施冷では水蒸気分離器（６）よりの加圧水は、燃料電池（５）本体の冷
却水循環ポンプ（７）の吐出側よりバイパスして用いたがもちろん、別途ポンプ
を設置しても良い。 また、ＣＯ変成器（４）はシエル＆チユーブ型熱交換器としたが、必ずしもこ
れに限定されるものではなく、例えばうず巻型、プレート型、プレートフイン型
等各種の熱交換器が使用できる。 さらにシエル＆チユーブ型のチユーブ側に触媒、シエル側に加圧水を流す構成
としたが、この逆も可能であることは勿論である。 この他種々の変更や変形が可能であることは言うまでもない。 〔発明の効果〕 以上、説明したように、この発明によれば、水蒸気分離器によつて得られた加
圧水を直接用いて、低温ＣＯ変成触媒を充填したＣＯ変成器の反応熱を除去する
ように構成し、かつ改質ガスの温度を変成触媒の動作温度まで低下させる熱交換
器を、改質器とＣＯ変成器との間に設けたので、従来の高温ＣＯ変成器、中間冷
却器、低温ＣＯ変成器、改質ガス冷却器の４機器を熱交換器型ＣＯ変成器の１機
器とすることができ、しかも変成触媒を安定して動作させることができ、装置全
体のコンパクト化と放熱量の減少が可能となるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は、この発明の一実施例によるリン酸型燃料電池発電装置の要部を示す
フロー図、第２図は、上記実施例に用いる熱交換型のＣＯ変成器を示す概念図で
あり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は側面断面図である。第３図は、従来のリン
酸型燃料電池発電装置の要部を示すフロー図である。 図において、（１）は改質器、（４）はＣＯ変成器、（５）はリン酸型燃 料電池、（６）は水蒸気分離器である。 なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１） 燃料を受け入れて改質ガスを得る改質器、この改質器によって得られた
   改質ガス中の一酸化炭素を変成触媒によりＨ₂Ｏと反応させるＣＯ変成器、この
   ＣＯ変成器を経た改質ガスと酸化性ガスを作用させて電力を得る燃料電池、及び
   この燃料電池を冷却するための加圧水を得ると共に、上記改質器に必要な水蒸気
   を得る水蒸気分離器を備えたリン酸型燃料電池装置において、上記ＣＯ変成器は
   、低温ＣＯ変成触媒を充填し、上記水蒸気分離器によって得られた加圧水を直接
   用いて反応熱を除去するように構成されたものであり、上記改質ガスの温度を上
   記変成触媒の動作温度まで低下させる熱交換器が、上記改質器と上記ＣＯ変成器
   との間に設けられていることを特徴とするリン酸型燃料電池発電装置。