JP3100791B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置

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JP3100791B2
JP3100791B2 JP05053333A JP5333393A JP3100791B2 JP 3100791 B2 JP3100791 B2 JP 3100791B2 JP 05053333 A JP05053333 A JP 05053333A JP 5333393 A JP5333393 A JP 5333393A JP 3100791 B2 JP3100791 B2 JP 3100791B2
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謙二 島津
英男 中村
英明 三好
洋一 水本
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Hokkaido Electric Power Co Inc
Mitsubishi Electric Corp
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Hokkaido Electric Power Co Inc
Mitsubishi Electric Corp
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池発電装置に
関し、特に水素を主成分とし一酸化炭素、炭化水素及び
窒素を含むガスを原燃料とする燃料電池発電装置の燃料
処理に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、燃料電池発電装置は、エネルギー
の高効率利用およびクリーン環境化を目指すコジェネレ
ーションシステムの有力候補として注目されている。燃
料電池の燃料源としては、一般に天然ガス、都市ガス、
ナフサ等の主成分である炭化水素を改質器で水蒸気と反
応させて得られる水素に富む改質ガスが使用される。
【０００３】このような燃料電池発電装置の従来技術と
して、例えば昭和６３年９月新エネルギー総合開発機構
発行「昭和６２年度研究成果年報〔II〕」第３５０頁〜
第３６１頁に開示されたものがあり、その概要を図１１
に示す。
【０００４】図１１において、１は燃料極１ａ、空気極
１ｂ及び冷却器１ｃからなる燃料電池本体、２は原燃料
中の炭化水素燃料を水蒸気と反応させて水素を多く含む
改質ガスを生成する改質器であり、反応部２ａとバーナ
部２ｂとから構成される。３は改質ガス中の一酸化炭素
を水蒸気と反応させて水素を生成させる一酸化炭素変成
器である。４は原燃料を水蒸気と混合昇圧するエジェク
タ、５は水蒸気分離器、６は電池冷却水循環ポンプ、７
は空気ブロワである。
【０００５】次に、前述した従来の燃料電池発電装置の
動作について説明する。燃料電池本体１は、燃料極１ａ
と、空気極１ｂと、冷却器１ｃとから構成され、燃料極
１ａに水素を含むガス、そして空気極１ｂに空気を供給
して酸化還元反応を行わせることにより電力を外部に取
り出す。燃料極１ａには反応用に水素を必要とし、この
ため炭化水素燃料を水素リッチガスに改質する改質器２
及び改質ガス中の一酸化炭素を水素に変換する一酸化炭
素変成器３が組合わされる。
【０００６】まず、都市ガス等の原燃料である炭化水素
燃料がエジェクタ４に送られる。このエジェクタ４は、
水蒸気分離器５から供給される高圧のスチームを駆動力
として、原燃料を混合昇圧する機能を有する。エジェク
タ４において、原燃料とスチームとを混合したあと、そ
の混合ガスは改質器２の反応部２ａに送られる。反応部
２ａには改質触媒が充填され、そこで混合ガスは、バー
ナ部２ｂより熱を与えられて改質反応を生じ、水素を主
成分とする改質ガスに変換される。
【０００７】この改質ガス中の一酸化炭素は燃料電池本
体１の燃料極触媒を被毒するため、一酸化炭素変成器３
内に充填された一酸化炭素変成触媒により水蒸気と反応
させ水素に変換された後、燃料電池本体１の燃料極１ａ
に供給され、そこで反応によって消費される。消費され
た残りの余剰燃料は、改質器２のバーナ部２ｂに送ら
れ、そこで空気ブロワ７からの空気と一緒に燃焼されて
反応部２ａに対し熱が与えられる。空気ブロワ７からの
空気の一部は燃料電池本体１の空気極１ｂに供給され、
そこで酸化反応に供される。前述の燃料極１ａへの改質
ガス供給および空気極１ｂへの空気の供給によって燃料
電池本体１内で酸化還元反応が行われ、電気出力が外部
に取り出される。空気極１ｂで消費された残りの空気
は、バーナ部２ｂからの燃焼排ガスと合流して大気に放
出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の燃料電池発電装置では、都市ガス６Ｂ、６Ｃ等
のように水素を主成分とし一酸化炭素、炭化水素及び窒
素を含むガスを原燃料とする場合には、原燃料中の炭化
水素成分が少なく改質反応に必要な熱量も少ないため熱
バランスがうまくとれないという問題点があった。
【０００９】また、一酸化炭素変成器３内において水素
と窒素との反応で生成したアンモニアによって燃料電池
本体１の特性が低下し、発電効率が低下する等の不具合
をもたらすという問題点があった。なお、燃料電池本体
１の特性におよぼすアンモニアの影響については、例え
ば米国エネルギー省１９８０年５月発刊「HANDBOOK OF
FUEL CELL PERFORMANCE」の第４１頁〜第５１頁に記載
されているとおりで、燃料中に１ppm程度含まれていて
も燃料電池本体１の特性が低下することが知られてい
る。
【００１０】この発明は、前述した問題点を解決するた
めになされたもので、燃料処理装置は改質器をなくし、
一酸化炭素変成器のみから構成するのでコンパクトにで
きると共に、燃料電池本体の下流側に燃料極出口ガスを
燃料とするボイラーを設置することにより未反応の水
素、一酸化炭素及び炭化水素の熱量をスチームとして回
収することができ、総合熱効率を向上することができる
燃料電池発電装置を得ることを目的とする。
【００１１】また、燃料極出口ガスの一部を燃料電池本
体に供給することにより燃料極出口ガス中の水素を有効
に利用でき、燃料電池本体の燃料利用率を向上できるた
め発電効率を向上することができる燃料電池発電装置を
得ることを目的とする。ここで、燃料利用率とは、燃料
電池本体で消費される水素の量（流量）を上記燃料電池
本体に供給される水素の量（流量）で割ったものであ
る。
【００１２】さらに、燃料極出口ガスの一部を一酸化炭
素変成器に供給することにより燃料極出口ガス中の一酸
化炭素をさらに水素に変換することにより燃料の発電へ
の利用効率を向上させ、また燃料極出口ガス中の水素を
有効に利用できるため燃料電池本体の燃料利用率を向上
できるため発電効率を向上することができる燃料電池発
電装置を得ることを目的とする。
【００１３】またさらに、一酸化炭素変成器内で生成し
たアンモニアをアンモニア除去装置により除去すること
により、燃料電池本体の特性低下を防止できるので信頼
性を向上することができる燃料電池発電装置を得ること
を目的とする。
【００１４】また、一酸化炭素変成器内で生成したアン
モニアをアンモニア除去装置により除去することによ
り、燃料電池本体の特性低下を防止すると共に、燃料極
出口ガスの一部を一燃料電池本体に供給することにより
燃料極出口ガス中の水素を有効に利用でき、燃料電池本
体の燃料利用率を向上することができる燃料電池発電装
置を得ることを目的とする。
【００１５】さらに、一酸化炭素変成器内で生成したア
ンモニアをアンモニア除去装置により除去することによ
り、燃料電池本体の特性低下を防止すると共に、燃料極
出口ガスの一部を一酸化炭素変成器に供給し燃料極出口
ガス中の一酸化炭素をさらに水素に変換することにより
燃料の発電への利用効率を向上させ、また燃料極出口ガ
ス中の水素を有効に利用できるため燃料電池本体の燃料
利用率を向上できるため発電効率を向上することができ
る燃料電池発電装置を得ることを目的とする。
【００１６】またさらに、原燃料中の窒素を窒素除去装
置により除去し、一酸化炭素変成器内でのアンモニア生
成を防止することにより、燃料電池本体の特性低下を防
止でき信頼性を向上することができる燃料電池発電装置
を得ることを目的とする。
【００１７】また、原燃料中の窒素を窒素除去装置によ
り除去し、一酸化炭素変成器内でのアンモニア生成を防
止することにより、燃料電池本体の特性低下を防止でき
信頼性を向上することができると共に、燃料極出口ガス
の一部を燃料電池本体に供給することにより燃料極出口
ガス中の水素を有効に利用でき、燃料電池本体の燃料利
用率を向上できるため発電効率を向上することができる
燃料電池発電装置を得ることを目的とする。
【００１８】さらに、原燃料中の窒素を窒素除去装置に
より除去し、一酸化炭素変成器内でのアンモニア生成を
防止することにより、燃料電池本体の特性低下を防止で
き信頼性を向上することができると共に、燃料極出口ガ
スの一部を一酸化炭素変成器に供給することにより燃料
極出口ガス中の一酸化炭素をさらに水素に変換すること
により燃料の発電への利用率を向上させ、また燃料極出
口ガス中の水素を有効に利用できるため燃料電池本体の
燃料利用率を向上できるため発電効率を向上することが
できる燃料電池発電装置を得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る燃料電池発電装置は、燃料極、空気極、及び冷却器か
ら構成され、前記燃料極に水素を含むガスが供給され、
前記冷却器に電池冷却水循環ポンプから冷却水が供給さ
れ、前記空気極に空気ブロワから空気が供給されて酸化
還元反応を行わせることにより電力を外部に取り出す、
リン酸を電解質とする燃料電池本体と、水蒸気分離器か
ら供給される高圧の水蒸気を駆動力として、水素を主成
分とし一酸化炭素、炭化水素及び窒素を含む原燃料を混
合昇圧するエジェクタと、前記エジェクタから送られて
きた混合原燃料中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水
素及び二酸化炭素を生成させ、それらを前記燃料電池本
体の燃料極へ供給する一酸化炭素変成器を備えた燃料電
池発電装置において、前記燃料電池本体の燃料極で消費
された残りの余剰燃料を、前記空気ブロワからの空気と
一緒に燃焼してその熱により第２の水蒸気を発生するボ
イラーを備えたものである。
【００２０】この発明の請求項２に係る燃料電池発電装
置は、前記余剰燃料の一部を前記燃料電池本体の燃料極
に供給するリサイクルブロワをさらに備えたものであ
る。
【００２１】この発明の請求項３に係る燃料電池発電装
置は、前記余剰燃料の一部を前記一酸化炭素変成器に供
給するリサイクルブロワをさらに備えたものである。
【００２２】この発明の請求項４に係る燃料電池発電装
置は、前記一酸化炭素変成器及び前記燃料電池本体の燃
料極間に配置され、前記一酸化炭素変成器内で原燃料中
の水素と窒素の反応により生成したアンモニアを除去す
るアンモニア除去装置をさらに備えたものである。
【００２３】この発明の請求項５に係る燃料電池発電装
置は、前記余剰燃料の一部を前記燃料電池本体の燃料極
に供給するリサイクルブロワと、前記一酸化炭素変成器
及び前記燃料電池本体の燃料極間に配置され、前記一酸
化炭素変成器内で原燃料中の水素と窒素の反応により生
成したアンモニアを除去するアンモニア除去装置とをさ
らに備えたものである。
【００２４】この発明の請求項６に係る燃料電池発電装
置は、前記余剰燃料の一部を前記一酸化炭素変成器に供
給するリサイクルブロワと、前記一酸化炭素変成器及び
前記燃料電池本体の燃料極間に配置され、前記一酸化炭
素変成器内で原燃料中の水素と窒素の反応により生成し
たアンモニアを除去するアンモニア除去装置とをさらに
備えたものである。
【００２５】この発明の請求項７に係る燃料電池発電装
置は、前記エジェクタの原燃料供給の上流側に配置さ
れ、原燃料中の窒素を除去する窒素除去装置をさらに備
えたものである。
【００２６】この発明の請求項８に係る燃料電池発電装
置は、前記余剰燃料の一部を前記燃料電池本体の燃料極
に供給するリサイクルブロワと、前記エジェクタの原燃
料供給の上流側に配置され、原燃料中の窒素を除去する
窒素除去装置とをさらに備えたものである。
【００２７】この発明の請求項９に係る燃料電池発電装
置は、前記余剰燃料の一部を前記一酸化炭素変成器に供
給するリサイクルブロワと、前記エジェクタの原燃料供
給の上流側に配置され、原燃料中の窒素を除去する窒素
除去装置とをさらに備えたものである。
【００２８】
【作用】この発明の請求項１に係る燃料電池発電装置に
おいては、一酸化炭素変成器によって、原燃料中の一酸
化炭素が水蒸気と反応させられて水素が生成され、前記
原燃料中の炭化水素はそのまま燃料電池本体に供給され
る。また、前記燃料電池本体の下流側に配置されたボイ
ラーによって、燃料極出口ガスを燃料として水蒸気が発
生される。
【００２９】この発明の請求項２に係る燃料電池発電装
置においては、一酸化炭素変成器によって、原燃料中の
一酸化炭素が水蒸気と反応させられて水素が生成され、
前記原燃料中の炭化水素はそのまま前記燃料電池本体に
供給される。また、前記燃料電池本体の下流側に配置さ
れたボイラーによって、燃料極出口ガスを燃料として水
蒸気が発生される。さらに、リサイクルブロワによっ
て、前記燃料極出口ガスの一部が燃料電池本体に供給さ
れる。
【００３０】この発明の請求項３に係る燃料電池発電装
置においては、一酸化炭素変成器によって、原燃料中の
一酸化炭素が水蒸気と反応させられて水素が生成され、
前記原燃料中の炭化水素はそのまま燃料電池本体に供給
される。また、前記燃料電池本体の下流側に配置された
ボイラーによって、燃料極出口ガスを燃料として水蒸気
が発生される。さらに、リサイクルブロワによって、前
記燃料極出口ガスの一部が前記一酸化炭素変成器に供給
される。
【００３１】この発明の請求項４に係る燃料電池発電装
置においては、一酸化炭素変成器及び燃料電池本体の上
流側に配置されたアンモニア除去装置によって、原燃料
中の一酸化炭素が水蒸気と反応させられて水素が生成さ
れ、前記燃料ガス中のアンモニアが除去され、前記原燃
料中の炭化水素はそのまま前記燃料電池本体に供給され
る。また、前記燃料電池本体の下流側に配置されたボイ
ラーによって、燃料極出口ガスを燃料として水蒸気が発
生される。
【００３２】この発明の請求項５に係る燃料電池発電装
置においては、一酸化炭素変成器及び燃料電池本体の上
流側に配置されたアンモニア除去装置によって、原燃料
中の一酸化炭素が水蒸気と反応させられて水素が生成さ
れ、前記燃料ガス中のアンモニアが除去され、前記原燃
料中の炭化水素はそのまま前記燃料電池本体に供給され
る。また、リサイクルブロワによって、前記燃料極出口
ガスの一部が前記燃料電池本体に供給される。さらに、
前記燃料電池本体の下流側に配置されたボイラーによっ
て、前記燃料極出口ガスを燃料として水蒸気が発生され
る。
【００３３】この発明の請求項６に係る燃料電池発電装
置においては、一酸化炭素変成器及び燃料電池本体の上
流側に配置されたアンモニア除去装置によって、原燃料
中の一酸化炭素が水蒸気と反応させられて水素が生成さ
れ、前記燃料ガス中のアンモニアが除去され、前記原燃
料中の炭化水素はそのまま燃料電池本体に供給される。
また、リサイクルブロワによって、前記燃料極出口ガス
の一部が前記一酸化炭素変成器に供給される。そして、
前記燃料電池本体の下流側に配置されたボイラーによっ
て、前記燃料極出口ガスを燃料として水蒸気が発生され
る。
【００３４】この発明の請求項７に係る燃料電池発電装
置においては、窒素除去装置及びこの窒素除去装置の下
流側に配置された一酸化炭素変成器によって、原燃料中
の窒素が除去され、前記原燃料中の一酸化炭素が水蒸気
と反応させられて水素が生成され、前記原燃料中の炭化
水素はそのまま燃料電池本体に供給される。また、前記
燃料電池本体の下流側に配置されたボイラーによって、
燃料極出口ガスを燃料として水蒸気が発生される。
【００３５】この発明の請求項８に係る燃料電池発電装
置においては、窒素除去装置及びこの窒素除去装置の下
流側に配置された一酸化炭素変成器によって、原燃料中
の窒素が除去され、前記原燃料中の一酸化炭素が水蒸気
と反応させられて水素が生成され、前記原燃料中の炭化
水素はそのまま燃料電池本体に供給される。また、前記
燃料電池本体の下流側に配置されたボイラーによって、
燃料極出口ガスを燃料として水蒸気が発生される。さら
に、リサイクルブロワによって、前記燃料極出口ガスの
一部が前記燃料電池本体に供給される。
【００３６】この発明の請求項９に係る燃料電池発電装
置においては、窒素除去装置及びこの窒素除去装置の下
流側に配置された一酸化炭素変成器によって、原燃料中
の窒素が除去され、前記原燃料中の一酸化炭素が水蒸気
と反応させられて水素が生成され、前記原燃料中の炭化
水素はそのまま燃料電池本体に供給される。また、前記
燃料電池本体の下流側に配置されたボイラーによって、
燃料極出口ガスを燃料として水蒸気が発生される。さら
に、リサイクルブロワによって、前記燃料極出口ガスの
一部が前記一酸化炭素変成器に供給される。
【００３７】
【実施例】
実施例１．以下、この発明の実施例１の構成について図
１を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施例
１の構成を示す図である。
【００３８】図１において、１は燃料極１ａ、空気極１
ｂ及び冷却器１ｃからなる燃料電池本体、３は改質ガス
中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素を生成させる
一酸化炭素変成器である。また、４は原燃料を水蒸気と
混合昇圧するエジェクタ、５は水蒸気分離器、６は電池
冷却水循環ポンプ、７は空気ブロワ、８は燃料極出口ガ
スを燃料とするボイラーである。
【００３９】次に、この発明の実施例１の動作について
説明する。運転中の動作は上述した従来装置の動作と同
様であり、ここでは相違点のみについて説明する。原燃
料としては都市ガス６Ｂを用いた。この都市ガス６Ｂの
組成を図２に示す。図２において、都市ガス６Ｂの各成
分の濃度（％）は、水素４８．２、一酸化炭素５．０、
炭化水素１４．８、二酸化炭素１３．１、窒素１５．
６、酸素３．３である。
【００４０】原燃料はエジェクタ４でスチームと混合し
た後、一酸化炭素変成器３に送られて式（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ
→Ｈ2＋ＣＯ2）の反応により原燃料中一酸化炭素が水素
と二酸化炭素に変換された後、燃料電池本体１の燃料極
１ａに供給され、そこで反応によって消費される。
【００４１】消費された残りの余剰燃料は、ボイラー８
に送られ、そこで空気ブロワ７からの空気と一緒に燃焼
されてその熱によりスチームを発生させる。空気ブロワ
７からの空気の一部は燃料電池本体１の空気極１ｂに供
給され、そこで酸化反応に供される。燃料極１ａへの燃
料ガス供給および空気極１ｂへの空気の供給によって燃
料電池本体１内で酸化還元反応が行われ、電気出力が外
部に取り出される。空気極１ｂで消費された残りの空気
はボイラー８からの燃焼排ガスと合流して大気に放出さ
れる。ボイラー８により発生したスチームは、排熱利用
設備等により冷房・暖房等に利用できるため総合熱効率
を向上することができる。
【００４２】実施例２．この発明の実施例２の構成につ
いて図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の
実施例２の構成を示す図である。
【００４３】図３において、１は燃料極１ａ、空気極１
ｂ及び冷却器１ｃからなる燃料電池本体、３は原燃料中
の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素を生成させる一
酸化炭素変成器である。また、４は原燃料を水蒸気と混
合昇圧するエジェクタ、５は水蒸気分離器、６は電池冷
却水循環ポンプ、７は空気ブロワ、８は燃料極出口ガス
を燃料とするボイラーである。さらに、９は燃料極出口
ガスの一部を燃料電池本体１の燃料極１ａに供給するた
めのリサイクルブロワである。
【００４４】次に、前述した実施例２の動作について説
明する。運転中の動作は上述した実施例１の動作と同様
であり、ここでは相違点のみについて説明する。リサイ
クルブロワ９は、燃料極出口ガスの一部を燃料電池本体
１の燃料極１ａに供給するものである。この結果、燃料
ガスの供給量が多くなるため燃料電池本体１のセル間で
の流量分配が均一化されるため燃料利用率を高くするこ
とができる。
【００４５】なお、従来の天然ガス等を原燃料とする燃
料電池発電装置では、改質反応に必要な熱量を確保する
必要があるため燃料利用率は７０〜８０％に設定されて
いるが、本発明のシステムでは一酸化炭素変成反応は発
熱反応であるため燃料利用率の制限はなく、燃料電池本
体１のみの特性を考慮して設定すればよく、本実施例２
では８５〜９０％の燃料利用率が可能となり発電効率を
高くできる利点がある。また、燃料利用率を変化させる
ことにより、電力と排熱回収熱量との比を変えることが
できる。
【００４６】実施例３．この発明の実施例３の構成につ
いて図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の
実施例３の構成を示す図である。
【００４７】図４において、１は燃料極１ａ、空気極１
ｂ及び冷却器１ｃからなる燃料電池本体、３は原燃料中
の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素を生成させる一
酸化炭素変成器である。また、４は原燃料を水蒸気と混
合昇圧するエジェクタ、５は水蒸気分離器、６は電池冷
却水循環ポンプ、７は空気ブロワ、８は燃料極出口ガス
を燃料とするボイラーである。さらに、１０は燃料極出
口ガスの一部を一酸化炭素変成器３に供給するためのリ
サイクルブロワである。
【００４８】次に、前述した実施例３の動作について説
明する。運転中の動作は上述した実施例１の動作と同様
であり、ここでは相違点のみについて説明する。リサイ
クルブロワ１０は、燃料極出口ガスの一部を一酸化炭素
変成器３に供給するものである。この結果、燃料極出口
ガス中の一酸化炭素が水蒸気と反応し水素が生成するた
め燃料ガス中の水素濃度が高くなると共に、燃料ガスの
供給量が多くなるため燃料電池本体の１のセル間での流
量分配が均一化されるため燃料利用率を高くすることが
できる。
【００４９】なお、従来の天然ガス等を原燃料とする燃
料電池発電装置では、改質反応に必要な熱量を確保する
必要があるため燃料利用率は７０〜８０％に設定されて
いるが、本発明のシステムでは一酸化炭素変成反応は発
熱反応であるため燃料利用率の制限はなく、燃料電池本
体１のみの特性を考慮して設定すればよく、本実施例３
では８５〜９０％の燃料利用率が可能となり発電効率を
高くできる利点がある。また、燃料利用率を変化させる
ことにより、電力と排熱回収熱量との比を変えることが
できる。
【００５０】実施例４．この発明の実施例４の構成につ
いて図５を参照しながら説明する。図５は、この発明の
実施例４の構成を示す図である。
【００５１】図５において、１は燃料極１ａ、空気極１
ｂ及び冷却器１ｃからなる燃料電池本体、３は原燃料中
の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素を生成させる一
酸化炭素変成器である。また、４は原燃料を水蒸気と混
合昇圧するエジェクタ、５は水蒸気分離器、６は電池冷
却水循環ポンプ、７は空気ブロワ、８は燃料極出口ガス
を燃料とするボイラーである。さらに、１１はアンモニ
ア除去装置であって、一酸化炭素変成器３内で生成した
アンモニアを除去する機能をもっている。
【００５２】次に、前述した実施例４の動作について説
明する。運転中の動作は上述した実施例１の動作と同様
であり、ここでは相違点のみについて説明する。アンモ
ニア除去装置１１は、一酸化炭素変成器３内で原燃料中
の水素と窒素との反応により生成したアンモニアを除去
する機能をもっており、燃料ガス中の水分とともに凝縮
除去するための熱交換器による凝縮法、アンモニア吸収
液を用いた吸収式法、アンモニア吸着剤を用いた吸着式
法等の任意のアンモニア除去装置を用いることができ
る。以上のように、アンモニア除去装置１１により燃料
ガス中のアンモニアを除去しているので、上述した従来
装置で問題となっていた燃料ガス中アンモニアによる燃
料電池本体１の特性低下が防止できる。
【００５３】実施例５．この発明の実施例５の構成につ
いて図６を参照しながら説明する。図６は、この発明の
実施例５の構成を示す図である。
【００５４】図５において、１は燃料極１ａ、空気極１
ｂ及び冷却器１ｃからなる燃料電池本体、３は原燃料中
の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素を生成させる一
酸化炭素変成器である。また、４は原燃料を水蒸気と混
合昇圧するエジェクタ、５は水蒸気分離器、６は電池冷
却水循環ポンプ、７は空気ブロワ、８は燃料極出口ガス
を燃料とするボイラーである。さらに、９は燃料極出口
ガスの一部を燃料電池本体１の燃料極１ａに供給するた
めのリサイクルブロワである。１１はアンモニア除去装
置であって、一酸化炭素変成器３内で生成したアンモニ
アを除去する機能をもっている。
【００５５】次に、前述した実施例５の動作について説
明する。運転中の動作は上述した実施例１の動作と同様
であり、ここでは相違点のみについて説明する。アンモ
ニア除去装置１１は、一酸化炭素変成器３内で原燃料中
の水素と窒素との反応により生成したアンモニアを除去
する機能をもっており、燃料ガス中の水分とともに凝縮
除去するための熱交換器による凝縮法、アンモニア吸収
液を用いた吸収式法、アンモニア吸着剤を用いた吸着式
法等の任意のアンモニア除去装置を用いることができ
る。リサイクルブロワ９は、燃料極出口ガスの一部を燃
料電池本体１の燃料極１ａに供給するものである。
【００５６】以上のように、アンモニア除去装置１１に
より燃料ガス中のアンモニアを除去しているので、上述
した従来装置で問題となっていた燃料ガス中アンモニア
による燃料電池本体１の特性低下が防止できる。また、
リサイクルブロワ９により、燃料ガスの供給量が多くな
るため燃料電池本体１のセル間での流量分配が均一化さ
れるため燃料利用率を高くすることができる。
【００５７】なお、従来の天然ガス等を原燃料とする燃
料電池発電装置では、改質反応に必要な熱量を確保する
必要があるため燃料利用率は７０〜８０％に設定されて
いるが、本発明のシステムでは一酸化炭素変成反応は発
熱反応であるため燃料利用率の制限はなく、燃料電池本
体１のみの特性を考慮して設定すればよく、本実施例５
では８５〜９０％の燃料利用率が可能となり発電効率を
高くできる利点がある。さらに、燃料利用率を変化させ
ることにより、電力と排熱回収熱量との比を変えること
ができる。
【００５８】実施例６．この発明の実施例６の構成につ
いて図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の
実施例６の構成を示す図である。
【００５９】図７において、１は燃料極１ａ、空気極１
ｂ及び冷却器１ｃからなる燃料電池本体、３は原燃料中
の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素を生成させる一
酸化炭素変成器である。また、４は原燃料を水蒸気と混
合昇圧するエジェクタ、５は水蒸気分離器、６は電池冷
却水循環ポンプ、７は空気ブロワ、８は燃料極出口ガス
を燃料とするボイラーである。さらに、１０は燃料極出
口ガスの一部を一酸化炭素変成器３に供給するためのリ
サイクルブロワである。１１はアンモニア除去装置であ
って、一酸化炭素変成器３内で生成したアンモニアを除
去する機能をもっている。
【００６０】次に、前述した実施例６の動作について説
明する。運転中の動作は上述した実施例１の動作と同様
であり、ここでは相違点のみについて説明する。アンモ
ニア除去装置１１は、一酸化炭素変成器３内で原燃料中
の水素と窒素との反応により生成したアンモニアを除去
する機能をもっており、燃料ガス中の水分とともに凝縮
除去するための熱交換器による凝縮法、アンモニア吸収
液を用いた吸収式法、アンモニア吸着剤を用いた吸着式
法等の任意のアンモニア除去装置を用いることができ
る。リサイクルブロワ１０は、燃料極出口ガスの一部を
一酸化炭素変成器３に供給するものである。この結果、
燃料極出口ガス中の一酸化炭素が水蒸気と反応し水素が
生成するため燃料ガス中の水素濃度を増加するとともに
燃料ガスの供給量が多くなるため燃料電池本体１のセル
間での流量分配が均一化されるため燃料利用率を高くす
ることができる。
【００６１】以上のように、アンモニア除去装置１１に
より燃料ガス中のアンモニアを除去しているので、上述
した従来装置で問題となっていた燃料ガス中アンモニア
による燃料電池本体１の特性低下が防止できる。また、
リサイクルブロワ１０により、燃料ガス中の水素濃度が
高くなるとともに燃料ガスの供給量が多くなるため燃料
電池本体１のセル間での流量分配が均一化されるため燃
料利用率を高くすることができる。
【００６２】なお、従来の天然ガス等を原燃料とする燃
料電池発電装置では、改質反応に必要な熱量を確保する
必要があるため燃料利用率は７０〜８０％に設定されて
いるが、本発明のシステムでは一酸化炭素変成反応は発
熱反応であるため燃料利用率の制限はなく、燃料電池本
体のみの特性を考慮して設定すればよく、本実施例６で
は８５〜９０％の燃料利用率が可能となり発電効率を高
くできる利点がある。さらに、燃料利用率を変化させる
ことにより、電力と排熱回収熱量との比を変えることが
できる。
【００６３】実施例７．この発明の実施例７の構成につ
いて図８を参照しながら説明する。図８は、この発明の
実施例７の構成を示す図である。
【００６４】図８において、１は燃料極１ａ、空気極１
ｂ及び冷却器１ｃからなる燃料電池本体、３は原燃料中
の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素を生成させる一
酸化炭素変成器である。また、４は原燃料を水蒸気と混
合昇圧するエジェクタ、５は水蒸気分離器、６は電池冷
却水循環ポンプ、７は空気ブロワ、８は燃料極出口ガス
を燃料とするボイラーである。さらに、１２は窒素除去
装置であって、原燃料中の窒素を除去するものであり、
例えばガス分離膜あるいは窒素吸着剤を用いたＰＳＡ
（Pressure Swing Adsorpion）等が使用できる。
【００６５】次に、前述した実施例７の動作について説
明する。運転中の動作は上述した実施例１の動作と同様
であり、ここでは相違点のみについて説明する。原燃料
は窒素除去装置１２で窒素を分離除去されているため、
上述した従来装置で問題となっていた一酸化炭素変成器
３内での水素と窒素との反応によるアンモニア生成が防
止でき、さらには燃料ガス中のアンモニアによる燃料電
池本体１の特性低下が防止できる。
【００６６】実施例８．この発明の実施例８の構成につ
いて図９を参照しながら説明する。図９は、この発明の
実施例８の構成を示す図である。
【００６７】図９において、１は燃料極１ａ、空気極１
ｂ及び冷却器１ｃからなる燃料電池本体、３は原燃料中
の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素を生成させる一
酸化炭素変成器である。また、４は原燃料を水蒸気と混
合昇圧するエジェクタ、５は水蒸気分離器、６は電池冷
却水循環ポンプ、７は空気ブロワ、８は燃料極出口ガス
を燃料とするボイラーである。さらに、９は燃料極出口
ガスの一部を燃料電池本体１の燃料極１ａに供給するた
めのリサイクルブロワである。１２は窒素除去装置であ
って、原燃料中の窒素を除去するものであり、例えばガ
ス分離膜あるいは窒素吸着剤を用いたＰＳＡ（Pressure
Swing Adsorpion）等が使用できる。
【００６８】次に、前述した実施例８の動作について説
明する。運転中の動作は上述した実施例１の動作と同様
であり、ここでは相違点のみについて説明する。原燃料
は窒素除去装置１２で窒素を分離除去されているため、
上述した従来装置で問題となっていた一酸化炭素変成器
３内での水素と窒素との反応によるアンモニア生成が防
止でき、さらには燃料ガス中のアンモニアによる燃料電
池本体１の特性低下が防止できる。リサイクルブロワ９
は、燃料極出口ガスの一部を燃料電池本体１の燃料極１
ａに供給するものである。
【００６９】この結果、燃料ガスの供給量が多くなるた
め燃料電池本体１のセル間での流量分配が均一化される
ため燃料利用率を高くすることができる。なお、従来の
天然ガス等を原燃料とする燃料電池発電装置では、改質
反応に必要な熱量を確保する必要があるため燃料利用率
は７０〜８０％に設定されているが、本発明のシステム
では一酸化炭素変成反応は発熱反応であるため燃料利用
率の制限はなく、燃料電池本体１のみの特性を考慮して
設定すればよく、本実施例８では８５〜９０％の燃料利
用率が可能となり発電効率を高くできる利点がある。さ
らに、燃料利用率を変化させることにより、電力と排熱
回収熱量との比を変えることができる。
【００７０】実施例９．この発明の実施例９の構成につ
いて図１０を参照しながら説明する。図１０は、この発
明の実施例９の構成を示す図である。
【００７１】図１０において、１は燃料極１ａ、空気極
１ｂ及び冷却器１ｃからなる燃料電池本体、３は原燃料
中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素を生成させる
一酸化炭素変成器である。また、４は原燃料を水蒸気と
混合昇圧するエジェクタ、５は水蒸気分離器、６は電池
冷却水循環ポンプ、７は空気ブロワ、８は燃料極出口ガ
スを燃料とするボイラーである。さらに、１０は燃料極
出口ガスの一部を一酸化炭素変成器３に供給するための
リサイクルブロワである。１２は窒素除去装置であっ
て、原燃料中の窒素を除去するものであり、例えばガス
分離膜あるいは窒素吸着剤を用いたＰＳＡ（Pressure S
wing Adsorpion）等が使用できる。
【００７２】次に、前述した実施例９の動作について説
明する。運転中の動作は上述した実施例１の動作と同様
であり、ここでは相違点のみについて説明する。原燃料
は窒素除去装置１２で窒素を分離除去されているため、
上述した従来装置で問題となっていた一酸化炭素変成器
３内での水素と窒素との反応によるアンモニア生成が防
止でき、さらには燃料ガス中アンモニアによる燃料電池
本体１の特性低下が防止できる。
【００７３】リサイクルブロワ１０は、燃料極出口ガス
の一部を一酸化炭素変成器３に供給するものである。こ
の結果、燃料極出口ガス中の一酸化炭素が水蒸気と反応
し水素が生成するため燃料ガス中の水素濃度が高くなる
とともに燃料ガスの供給量が多くなるため燃料電池本体
１のセル間での流量分配が均一化されるため燃料利用率
を高くすることができる。
【００７４】なお、従来の天然ガス等を原燃料とする燃
料電池発電装置では、改質反応に必要な熱量を確保する
必要があるため燃料利用率は７０〜８０％に設定されて
いるが、本発明のシステムでは一酸化炭素変成反応は発
熱反応であるため燃料利用率の制限はなく、燃料電池本
体１のみの特性を考慮して設定すればよく、本実施例９
では８５〜９０％の燃料利用率が可能となり発電効率を
高くできる利点がある。また、燃料利用率を変化させる
ことにより、電力と排熱回収熱量との比を変えることが
できる。
【００７５】
【発明の効果】この発明の請求項１に係る燃料電池発電
装置は、以上説明したとおり、燃料極、空気極、及び冷
却器から構成され、前記燃料極に水素を含むガスが供給
され、前記冷却器に電池冷却水循環ポンプから冷却水が
供給され、前記空気極に空気ブロワから空気が供給され
て酸化還元反応を行わせることにより電力を外部に取り
出す、リン酸を電解質とする燃料電池本体と、水蒸気分
離器から供給される高圧の水蒸気を駆動力として、水素
を主成分とし一酸化炭素、炭化水素及び窒素を含む原燃
料を混合昇圧するエジェクタと、前記エジェクタから送
られてきた混合原燃料中の一酸化炭素を水蒸気と反応さ
せて水素及び二酸化炭素を生成させ、それらを前記燃料
電池本体の燃料極へ供給する一酸化炭素変成器を備えた
燃料電池発電装置において、前記燃料電池本体の燃料極
で消費された残りの余剰燃料を、前記空気ブロワからの
空気と一緒に燃焼してその熱により第２の水蒸気を発生
するボイラーを備えたので、改質器をなくすことがで
き、一酸化炭素変成器のみから構成したためコンパクト
にできるとともに燃料電池本体の下流側に燃料極出口ガ
スを燃料とするボイラーを設置し得られる排熱をスチー
ムとして回収利用できるようにしたため総合熱効率を向
上できるという効果を奏する。
【００７６】この発明の請求項２に係る燃料電池発電装
置は、以上説明したとおり、前記余剰燃料の一部を前記
燃料電池本体の燃料極に供給するリサイクルブロワをさ
らに備えたので、燃料極出口ガスの一部を燃料電池本体
に供給することにより燃料極出口ガス中の水素を有効に
利用できるようにしたため発電効率を向上できるという
効果を奏する。また、燃料利用率を変化させることによ
り、電力と排熱回収熱量との比を変えることができると
いう効果を奏する。
【００７７】この発明の請求項３に係る燃料電池発電装
置は、以上説明したとおり、前記余剰燃料の一部を前記
一酸化炭素変成器に供給するリサイクルブロワをさらに
備えたので、燃料極出口ガスの一部を一酸化炭素変成器
に供給することにより燃料極出口ガス中の水素を有効に
利用でき、また燃料極出口ガス中の一酸化炭素をさらに
水素に変換することにより燃料の利用効率を向上できる
ため発電効率を向上できるという効果を奏する。また、
燃料利用率を変化させることにより、電力と排熱回収熱
量との比を変えることができるという効果を奏する。
【００７８】この発明の請求項４に係る燃料電池発電装
置は、以上説明したとおり、前記一酸化炭素変成器及び
前記燃料電池本体の燃料極間に配置され、前記一酸化炭
素変成器内で原燃料中の水素と窒素の反応により生成し
たアンモニアを除去するアンモニア除去装置をさらに備
えたので、一酸化炭素変成器内で生成したアンモニアを
除去するアンモニア除去装置を設けたため、燃料ガス中
のアンモニアに起因する燃料電池本体の特性低下を防止
できるという効果を奏する。
【００７９】この発明の請求項５に係る燃料電池発電装
置は、以上説明したとおり、前記余剰燃料の一部を前記
燃料電池本体の燃料極に供給するリサイクルブロワと、
前記一酸化炭素変成器及び前記燃料電池本体の燃料極間
に配置され、前記一酸化炭素変成器内で原燃料中の水素
と窒素の反応により生成したアンモニアを除去するアン
モニア除去装置とをさらに備えたので、燃料ガス中のア
ンモニアに起因する燃料電池本体の特性低下を防止でき
るとともに燃料極出口ガスの一部を燃料電池本体に供給
することにより燃料極出口ガス中の水素を有効に利用で
きるようにしたため発電効率を向上できるという効果を
奏する。また、燃料利用率を変化させることにより、電
力は排熱回収熱量との比を変えることができるという効
果を奏する。
【００８０】この発明の請求項６に係る燃料電池発電装
置は、以上説明したとおり、前記余剰燃料の一部を前記
一酸化炭素変成器に供給するリサイクルブロワと、前記
一酸化炭素変成器及び前記燃料電池本体の燃料極間に配
置され、前記一酸化炭素変成器内で原燃料中の水素と窒
素の反応により生成したアンモニアを除去するアンモニ
ア除去装置とをさらに備えたので、燃料ガス中のアンモ
ニアに起因する燃料電池本体の特性低下を防止できると
ともに燃料極出口ガスの一部を一酸化炭素変成器に供給
することにより燃料極出口ガス中の水素を有効に利用で
き、また燃料極出口ガス中の一酸化炭素をさらに水素に
変換することにより燃料の利用効率を向上できるため発
電効率を向上できるという効果を奏する。また、燃料利
用率を変化させることにより、電力と排熱回収熱量との
比を変えることができるという効果を奏する。
【００８１】この発明の請求項７に係る燃料電池発電装
置は、以上説明したとおり、前記エジェクタの原燃料供
給の上流側に配置され、原燃料中の窒素を除去する窒素
除去装置をさらに備えたので、一酸化炭素変成器内での
アンモニア生成が防止できるため、燃料電池本体の特性
低下を防止できるという効果を奏する。
【００８２】この発明の請求項８に係る燃料電池発電装
置は、以上説明したとおり、前記余剰燃料の一部を前記
燃料電池本体の燃料極に供給するリサイクルブロワと、
前記エジェクタの原燃料供給の上流側に配置され、原燃
料中の窒素を除去する窒素除去装置とをさらに備えたの
で、一酸化炭素変成器内でのアンモニア生成が防止でき
るため、燃料電池本体の特性低下を防止できるとともに
燃料極出口ガス中の水素を有効に利用できるため発電効
率を向上できるという効果を奏する。また、燃料利用率
を変化させることにより、電力と排熱回収熱量との比を
変えることができるという効果を奏する。
【００８３】この発明の請求項９に係る燃料電池発電装
置は、以上説明したとおり、前記余剰燃料の一部を前記
一酸化炭素変成器に供給するリサイクルブロワと、前記
エジェクタの原燃料供給の上流側に配置され、原燃料中
の窒素を除去する窒素除去装置とをさらに備えたので、
一酸化炭素変成器内でのアンモニア生成が防止できるた
め、燃料電池本体の特性低下を防止できるとともにこと
により燃料極出口ガス中の水素を有効に利用できるとい
う効果を奏する。また、燃料極出口ガス中の一酸化炭素
をさらに水素に変換したため燃料の利用効率が向上し発
電効率を向上できるという効果を奏する。さらに、燃料
利用率を変化させることにより、電力と排熱回収熱量と
の比を変えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施例１で使用する都市ガスの組成
を示す図である。
【図３】この発明の実施例２の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施例３の構成を示す図である。
【図５】この発明の実施例４の構成を示す図である。
【図６】この発明の実施例５の構成を示す図である。
【図７】この発明の実施例６の構成を示す図である。
【図８】この発明の実施例７の構成を示す図である。
【図９】この発明の実施例８の構成を示す図である。
【図１０】この発明の実施例９の構成を示す図である。
【図１１】従来の燃料電池発電装置の構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
１ 燃料電池本体 ３ 一酸化炭素変成器 ４ エジェクタ ５ 水蒸気分離器 ６ 電池冷却水循環ポンプ ７ 空気ブロワ ８ ボイラー ９ リサイクルブロワ １０ リサイクルブロワ １１ アンモニア除去装置 １２ 窒素除去装置
フロントページの続き (72)発明者 三好 英明 神戸市兵庫区和田崎町１丁目１番２号 三菱電機株式会社 神戸製作所内 (72)発明者 水本 洋一 神戸市兵庫区和田崎町１丁目１番２号 三菱電機株式会社 神戸製作所内 (56)参考文献 特開 昭63−62160（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−93207（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−65065（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−127668（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−87479（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−217568（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料極、空気極、及び冷却器から構成さ
    れ、前記燃料極に水素を含むガスが供給され、前記冷却
    器に電池冷却水循環ポンプから冷却水が供給され、前記
    空気極に空気ブロワから空気が供給されて酸化還元反応
    を行わせることにより電力を外部に取り出す、リン酸を
    電解質とする燃料電池本体と、 水蒸気分離器から供給される高圧の水蒸気を駆動力とし
    て、水素を主成分とし一酸化炭素、炭化水素及び窒素を
    含む原燃料を混合昇圧するエジェクタと、 前記エジェクタから送られてきた混合原燃料中の一酸化
    炭素を水蒸気と反応させて水素及び二酸化炭素を生成さ
    せ、それらを前記燃料電池本体の燃料極へ供給する一酸
    化炭素変成器を備えた燃料電池発電装置において、 前記燃料電池本体の燃料極で消費された残りの余剰燃料
    を、前記空気ブロワからの空気と一緒に燃焼してその熱
    により第２の水蒸気を発生するボイラーを備えたことを
    特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 【請求項２】 前記余剰燃料の一部を前記燃料電池本体
    の燃料極に供給するリサイクルブロワ をさらに備えたこ
    とを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
  3. 【請求項３】 前記余剰燃料の一部を前記一酸化炭素変
    成器に供給するリサイクルブロワ をさらに備えたことを
    特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
  4. 【請求項４】 前記一酸化炭素変成器及び前記燃料電池
    本体の燃料極間に配置され、前記一酸化炭素変成器内で
    原燃料中の水素と窒素の反応により生成したアンモニア
    を除去するアンモニア除去装置 をさらに備えたことを特
    徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
  5. 【請求項５】 前記余剰燃料の一部を前記燃料電池本体
    の燃料極に供給するリサイクルブロワと、 前記一酸化炭素変成器及び前記燃料電池本体の燃料極間
    に配置され、前記一酸化炭素変成器内で原燃料中の水素
    と窒素の反応により生成したアンモニアを除去するアン
    モニア除去装置と をさらに備えたことを特徴とする請求
    項１記載の 燃料電池発電装置。
  6. 【請求項６】 前記余剰燃料の一部を前記一酸化炭素変
    成器に供給するリサイクルブロワと、 前記一酸化炭素変成器及び前記燃料電池本体の燃料極間
    に配置され、前記一酸化炭素変成器内で原燃料中の水素
    と窒素の反応により生成したアンモニアを除去するアン
    モニア除去装置と をさらに備えたことを特徴とする請求
    項１記載の 燃料電池発電装置。
  7. 【請求項７】 前記エジェクタの原燃料供給の上流側に
    配置され、原燃料中の窒素を除去する窒素除去装置 をさ
    らに備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発
    電装置。
  8. 【請求項８】 前記余剰燃料の一部を前記燃料電池本体
    の燃料極に供給するリサイクルブロワと、 前記エジェクタの原燃料供給の上流側に配置され、原燃
    料中の窒素を除去する窒素除去装置と をさらに備えたこ
    とを特徴とする請求項１記載の 燃料電池発電装置。
  9. 【請求項９】 前記余剰燃料の一部を前記一酸化炭素変
    成器に供給するリサイクルブロワと、 前記エジェクタの原燃料供給の上流側に配置され、原燃
    料中の窒素を除去する窒素除去装置と をさらに備えたこ
    とを特徴とする請求項１記載の 燃料電池発電装置。
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