JP3259291B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置

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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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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、特に原燃料中の硫黄分を除去する脱硫器構成に関
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装置で水蒸気と反
応させて得られる水素に富む改質ガスが使用される。こ
の場合、改質装置の反応部に収めた触媒の硫黄被毒を避
ける目的で、改質装置の上流側には脱硫器を設置するの
が通例である。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年度研究成果報告年報[II]」P3
50〜P361に開示されたものがあり、その概略を図
4に示す。図4において、1は燃料極1a、空気極1
b、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装置であり、反応部2aとバーナ部
2bとから構成される。3は原燃料中の硫黄分を除去す
る脱硫器、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、9は原燃料供給管である。
【0003】次に動作について説明する。燃料電池本体
1は燃料極1a、空気極1b、冷却器1cから構成さ
れ、燃料極1aに水素を多く含むガス、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
取り出す。燃料極1aには反応用として水素を必要と
し、このため原燃料中の炭化水素燃料を水素リッチガス
に改質する改質装置2が組合わされる。まず、天然ガス
等の原燃料である炭化水素燃料が原燃料供給管8から脱
硫器3に供給される。原燃料の中に含まれる硫黄分が改
質触媒を被毒する恐れがあるため、脱硫器3が配置さ
れ、この脱硫器3で原燃料中の硫黄分が除去される。も
し、硫黄分の除去が不十分であると、改質触媒が被毒さ
れ、これによって改質触媒の活性が低下して触媒にカー
ボン析出を生じたりする恐れがあった。図4に示す脱硫
器3は常温吸着型脱硫器であり、原燃料中の硫黄分の吸
着剤として活性炭や金属系の吸着剤などが使用される。
脱硫器3を出た原燃料は原燃料供給管9を経てエジェク
タ4に送られる。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
とスチームが混合した後、その混合ガスは改質装置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。得られた改質ガスは、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、改質装置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、電力が外部に
取り出させる。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。
【0004】
【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、脱硫器3の吸着剤への硫
黄分の吸着量が飽和すると、除去されなかった硫黄分に
よって改質触媒が被毒され、カーボン析出等の不具合を
生ずるため、定期的に吸着剤を交換しなければならな
い。従って、吸着剤の交換たびにプラントを停止する必
要があった。また、硫黄吸着は吸着剤の上流側より飽和
が進行するため、下流側の吸着剤が有効に利用されない
という欠点があった。
【0005】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、脱硫器内の吸着剤の利用率を
向上することにより吸着剤の交換頻度を低減できる燃料
電池発電装置を提供することを目的とする。
【0006】
【0007】
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料電池
発電装置は、原燃料を脱硫器の第1の流通口から導入し
脱硫器の第2の流通口から改質装置側へ導出する第1配
管ラインと、原燃料を脱硫器の第2の流通口から導入し
脱硫器の第1の流通口から改質装置側へ導出する第2配
管ラインとを設けたものである。
【0009】
【0010】
【0011】
【作用】この発明における燃料電池発電装置は、原燃料
の脱硫器への導入を、第1配管ラインと第2配管ライン
とを切り換えて行うことにより、脱硫器内の吸着剤を有
効に利用する。
【0012】
【0013】
【0014】
【実施例】実施例1.以下この発明の実施例1を図1に
基づいて説明する。図1において、1〜9は上述した従
来装置の構成と同様である。10は原燃料を脱硫器3の
上流側から導入し脱硫器3の下流側から改質装置2側へ
導出する第1配管ラインであり、原燃料供給管8と脱硫
器3の上流側とに連設された分岐管11と、脱硫器3の
下流側と原燃料供給管9とに連設された分岐管12と、
分岐管11、12にそれぞれ配置された遮断弁13、1
4とにより構成されている。15は原燃料を脱硫器3の
下流側から導入し脱硫器3の上流側から改質装置2側の
原燃料供給管9へ導出する第2配管ラインであり、原燃
料供給管8と脱硫器3の下流側とに連設された分岐管1
6と、脱硫器3の上流側と原燃料供給管9とに連設され
た分岐管17と、分岐管16、17にそれぞれ配置され
た遮断弁18、19とにより構成されている。
【0015】次に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。原燃料供給管8、脱硫器3、
原燃料供給管9への原燃料供給回路は、最初、第1配管
ライン10の分岐管11の遮断弁13を開、分岐管12
の遮断弁14を開、第2配管ライン15の分岐管16の
遮断弁18を閉、分岐管17の遮断弁19を閉とし、原
燃料は原燃料供給管8から分岐管11を経て脱硫器3に
導入し、脱硫器3から分岐管12を経て原燃料供給管9
へ導出する。脱硫器3の出口側の硫黄濃度が上昇した場
合は、第1配管ライン10の分岐管11の遮断弁13を
閉、分岐管12の遮断弁14を閉、第2配管ライン15
の分岐管16の遮断弁18を開、分岐管17の遮断弁1
9を開とし、原燃料を原燃料供給管8から分岐管16を
経て脱硫器3に導入し、脱硫器3から分岐管17を経て
原燃料供給管9へ導出する。以上のように、脱硫器3へ
の原燃料の導入方向を脱硫器3の出口側の硫黄濃度に応
じて切り換えて行うようにしているので、上述したで従
来装置で問題となっていた吸着剤の寿命が短い欠点を解
消できる。このように吸着剤を有効に利用することがで
き吸着剤の交換頻度を低減できるので、長期間安定に運
転ができる燃料電池発電装置を得ることができる。
【0016】参考例1. 図2はこの発明の参考例1を示し、図2において、1、
2、4〜9は上述した従来装置の構成と同様である。2
0は通常運転時に動作され原燃料中の硫黄分を除去する
大容量脱硫器、21はこの大容量脱硫器20の吸着剤交
換時に動作され原燃料中の硫黄分を除去する小容量脱硫
器、22は原燃料供給管8と大容量脱硫器20の上流側
とに連設された分岐管、23は大容量脱硫器20の下流
側と原燃料供給管9とに連設された分岐管、24、25
は分岐管22、23にそれぞれ配置された遮断弁、26
は原燃料供給管8と小容量脱硫器21の上流側とに連設
された分岐管、27は小容量脱硫器21の下流側と原燃
料供給管9とに連設された分岐管、28、29は分岐管
26、27にそれぞれ配置された遮断弁である。
【0017】次に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。通常の運転時は、分岐管22
の遮断弁24を開、分岐管23の遮断弁25を開、分岐
管26の遮断弁28を閉、分岐管27の遮断弁29を閉
とし、原燃料は原燃料供給管8から分岐管22を経て大
容量脱硫器20に導入し、大容量脱硫器20から分岐管
23を経て原燃料供給管9へ導出する。大容量脱硫器2
0の吸着剤を交換する場合は、分岐管22の遮断弁24
を閉、分岐管23の遮断弁25を閉、分岐管26の遮断
弁28を開、分岐管27の遮断弁29を開とし、原燃料
を原燃料供給管8から分岐管26を経て小容量脱硫器2
1に導入し、小容量脱硫器21から分岐管27を経て原
燃料供給管9へ導出する。この小容量脱硫器21を使用
して原燃料中の硫黄分を除去している間に、プラントを
停止することなく大容量脱硫器20の吸着剤を交換する
ことができる。吸着剤の交換後は、通常の運転時の原燃
料供給パターンとなるよう各遮断弁を開閉調整する。こ
れにより小容量脱硫器21側の吸着剤の量は少なくて済
み、したがって、装置をコンパクトにすることができ、
燃料電池発電装置で重要視されているコンパクト性を十
分に満足させることができる。
【0018】参考例2. 図3はこの発明の参考例2を示し、図3において、1〜
9は上述した従来装置の構成と同様である。30は脱硫
器3の下流側に、即ち、脱硫器3とエジェクタ4とに連
設された原燃料供給管9にそのの途中から分岐したサン
プリング管31を介して配置され、原燃料中の硫黄濃度
を分析し出力する硫黄分析装置であり、例えばガスクロ
マトグラフが使用されるが、特にこの分析法に限定され
るものではなく、0.1ppmオーダの分析精度が得られるも
のであればどのようなものであってもよい。設けたもの
である。
【0019】次に動作について説明する。硫黄分析装置
30には、原燃料中の硫黄濃度を分析しその分析値が予
め設定した値以上のとき、警報を出力するようにしてい
るので、脱硫器3の処理能力が低下し、除去できなかっ
た硫黄分によって改質触媒が被毒され、その結果、カー
ボン析出等の不具合が生じるのを未然に防止することが
できる。
【0020】
【発明の効果】この発明は以上説明した通り、原燃料を
脱硫器の第1の流通口から導入し脱硫器の第2の流通口
から改質装置側へ導出する第1配管ラインと、原燃料を
脱硫器の第2の流通口から導入し脱硫器の第1の流通口
から改質装置側へ導出する第2配管ラインとを設け、原
燃料の脱硫器への導入を、第1配管ラインと第2配管ラ
インとを切り換えて行うようにしたので、吸着剤を有効
に利用することができ吸着剤の交換頻度を低減できるの
で、長期間安定に運転ができる燃料電池発電装置を得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施例1を示す系統図である。
【図2】 この発明の参考例1を示す系統図である。
【図3】 この発明の参考例2を示す系統図である。
【図4】 従来の燃料電池発電装置を示す系統図であ
る。
【符号の説明】
1 燃料電池本体 2 改質装置 3 脱硫器 10 第1配管ライン 15 第2配管ライン 20 大容量脱硫器 21 小容量脱硫器 30 硫黄分析装置

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原燃料中の硫黄分を除去する脱硫器と、
    上記原燃料中の炭化水素燃料を水蒸気と反応させて水素
    ガスを生成する改質装置と、この改質装置により改質さ
    れた改質ガスと空気とを電気化学的に反応させて電力を
    得る燃料電池本体とから構成される燃料電池発電装置に
    おいて、上記原燃料を上記脱硫器の第1の流通口から導
    入し上記脱硫器の第2の流通口から上記改質装置側へ導
    出する第1配管ラインと、上記原燃料を上記脱硫器の
    2の流通口から導入し上記脱硫器の第1の流通口から上
    記改質装置側へ導出する第2配管ラインとを設けたこと
    を特徴とする燃料電池発電装置。
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