JP3561706B2 - 固体高分子形燃料電池発電装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば家庭用の小型電源として好適な固体高分子形燃料電池発電装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、LPG、ブタンなどの炭化水素系燃料ガスを水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するCO変成器と、一酸化炭素を除去するCO除去器と、起動後に各反応器が安定するまで水素を燃焼するプロセスガスバーナと、このようにして得られた水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電する燃料電池と、燃料電池の電極部を冷却するとともに反応空気の加湿のためのイオン交換樹脂などの水処理装置で処理された水(純水)を収納した水タンクと、前記改質器、燃料電池、プロセスガスバーナなどの排ガスの熱を回収して温水とする熱交換器と、この温水を蓄える貯湯タンクなどを備えた小型電源としての固体高分子形燃料電池発電装置が提案されている。
【0003】
固体高分子形燃料電池発電装置で使用する固体高分子電解質膜は含水させることによりプロトン導電性電解質として機能するもので、固体高分子形燃料電池においては、反応空気や燃料ガスなどの反応ガスに水蒸気を飽和に含ませて電極部に供給して運転する方法が採られている。
【0004】
燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に空気を供給すると、燃料極では、水素分子を水素イオンと電子に分解する燃料極反応、空気極では、酸素と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応がそれぞれ行われ、燃料極から空気極に向かって外部回路を移動する電子により電力が負荷に供給されるとともに、空気極側に水が生成される。
【0005】
図4は、従来の固体高分子形燃料電池発電装置(PEFC装置GS)の系統図である。
燃料電池6を用いたPEFC装置GSは、例えば、燃料電池6の他に熱回収装置RDを含んでいる。
この熱回収装置RDは、貯湯タンク50、熱交換器32、46、71、ポンプ33、47、72とを備えた温水の循環路などで連結されている。
【0006】
燃料電池6は、脱硫器2、改質器3、CO変成器4、CO除去器5などからなる燃料ガス供給装置および空気ポンプ11、水タンク21などからなる反応空気供給装置ならびに燃料極6a、空気極6kなどの電極および水タンク21、ポンプ48、冷却部6cなどからなる燃料電池6の冷却装置を備えている。
【0007】
燃料電池6で発電された電力は図示しないDC/DCコンバータで昇圧され、図示しない配電系統連系インバータを介して商用電源に接続される、一方、ここから家庭や事務所などの照明や空調機などの他の電気機器用の電力として供給される。
【0008】
このような燃料電池6を用いたPEFC装置GSでは、発電と同時に、例えば燃料電池6による発電時に発生する熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を貯湯タンク50に蓄えて、風呂や台所などに供給するなど、燃料電池6に使用される燃料がもつエネルギーの有効利用を図っている。
【0009】
上記のPEFC装置GSの燃料ガス供給装置では、天然ガス、都市ガス、LPG、ブタンなどの炭化水素系の原燃料1が脱硫器2に供給され、ここで原燃料から改質触媒に有害な硫黄成分が除去される。
この脱硫器2を経た原燃料は、昇圧ポンプ10で昇圧されて改質器3に供給される際に、水タンク21から水ポンプ22を経て温水が送られ、熱交換器17で加熱されて生成した水蒸気と合流して、供給される。改質器3では、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質器3を経たガスは、CO変成器4に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。このCO変成器4を経たガスは、CO除去器5に供給され、ここではCO変成器4を経たガス中の未変成の一酸化炭素が例えば10ppm以下に低減され、水素濃度の高い水性ガス(改質ガス)が管路64を経て燃料電池6の燃料極6aに供給される。
【0010】
このとき、水タンク21から改質器3へ供給される温水の量を調節することにより改質ガスへの水分の添加量が調節される。
反応空気供給装置では、空気ポンプ11から水タンク21に、空気を供給し、水タンク21内の温水中に反応空気を泡立てつつ気相部53に送出することによって加湿が行われる。
このようにして、燃料電池6における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応空気が水タンク21から管路25を経て燃料電池6の空気極6kに供給される。
【0011】
燃料電池6では、燃料極6aに供給された改質ガス中の水素と、空気ポンプ11、水タンク21の気相部53を経て空気極6kへ供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。
燃料電池6の冷却装置は、この電気化学反応の反応熱などで燃料電池6が過熱しないようにするため、燃料電池6の電極6a、6kに並置された冷却装置であり、冷却部6cに水タンク21の温水をポンプ48で冷却水として循環させ、この冷却水で燃料電池6内の温度が発電に適した温度(例えば70〜80℃程度)に保たれるように制御している。
【0012】
改質器3における化学反応は吸熱反応であるので、加熱しながら化学反応を継続させるためのバーナ12を有し、ここには管路13を介して原燃料が供給され、ファン14を介して空気が供給され、管路15を介して、燃料極6aを経た未反応水素が供給される。本PEFC装置GSの起動時には、バーナ12に管路13を介して原燃料が供給されて燃焼が行われ、起動後に、燃料電池6の温度が安定したときには、管路13からの原燃料の供給が断たれ、替わりに管路15を介して燃料極6aから排出される未反応水素(オフガス)が供給されて燃焼が継続される。
【0013】
一方、CO変成器4、CO除去器5で行われる化学反応は発熱反応である。運転中は、発熱反応の熱により反応温度以上に昇温しないように冷却制御が行われる。
このようにして改質器3、CO変成器4、CO除去器5および燃料電池6では所定の化学反応と発電が継続される。
【0014】
上記改質器3とCO変成器4間、CO変成器4とCO除去器5間にはそれぞれ熱交換器18、19が接続されている。
そして各熱交換器18、19には水タンク21の温水が、ポンプ23、24を介して循環し、これらの温水で改質器3、CO変成器4を経たガスがそれぞれ冷却される。図示しないがCO除去器5と燃料電池6との間にも熱交換器を接続してCO除去器5を経たガスを冷却することができる。
上記改質器3の排気系31には熱交換器17が接続され、水タンク21の温水がポンプ22を介して供給されると、この熱交換器17で水蒸気化し、この水蒸気が原燃料と混合して改質器3に供給される。
【0015】
PEFC装置GSには、プロセスガスバーナ(PGバーナ)34が備えられている。
PEFC装置GSの起動時には、改質器3、CO変成器4、CO除去器5を経た改質ガスの組成が燃料電池6の運転に適した安定した規定値に達していないので、それが安定するまでは、このガスを燃料電池6に供給することができない。そこで、各反応器が安定するまでは、ガス組成が規定値に達していないガスをこのPGバーナ34に導いて燃焼させる。
37はPGバーナ34に燃焼用空気を送るファンである。
【0016】
そして、各反応器が安定しガス中のCO濃度が規定値(例えば、10〜20ppm以下)に達した後、燃料電池6に導入して発電を行う。燃料電池6での発電に使用できなかった未反応ガスは、当初PGバーナ34に導いて燃焼し、燃料電池6の温度が安定した後は、燃料電池6からのオフガスを管路15経由、改質器3のバーナ12に導入して燃焼させる。
【0017】
すなわち、PEFC装置GSの起動後、各反応器が温度的に安定するまでは、開閉弁91が閉じられ、改質ガスは管路35および開閉弁36を経てPGバーナ34に供給される。
【0018】
各反応器が温度的に安定した場合、今度は燃料電池6の温度が作動温度(例えば70〜80℃)近くの温度域で安定するまで、開閉弁91が開かれ、開閉弁92が閉じられて、改質ガスが管路38および開閉弁39を経てPGバーナ34に供給され、そこで燃焼される。
【0019】
燃料電池6の温度が作動温度で安定し、連続して発電が行われるようになった場合、開閉弁91、開閉弁92が開かれ、開閉弁36、開閉弁39が閉じられて、燃料電池6を経た未反応ガス(オフガス)は管路15を経てバーナ12に供給される。
【0020】
貯湯タンク50には水道管61を経て市水が供給される。この貯湯タンク50に供給された市水は、PEFC装置GSから発生する排熱によって加熱され、この昇温された温水は、温水供給管62を通じて外部に給湯される。
例えば排気系31には、熱交換器17の他に、さらに別の熱交換器32が接続され、この熱交換器32には貯湯タンク50の水が、ポンプ33を介して循環し、排熱回収が行われる。
【0021】
またPGバーナ34の排気系45には、熱交換器46が接続され、この熱交換器46には、ポンプ47を介して貯湯タンク50の水が循環され貯湯タンク50に熱回収が行われる。
水タンク21には、ポンプ23、24、48によって熱交換器18、19を経て戻る水や燃料電池6の冷却部6cを循環する冷却水が水管73を経て流入する一方、水タンク21に水を供給する水補給装置68が接続されている。
水補給装置68は電動弁56と供給タンク67およびポンプ74などから構成されている。供給タンク67は市水補給装置69および燃料電池6から生じる水を管路70を経て一旦貯えて水タンク21に水を供給できるようにしたタンクである。
【0022】
燃料電池6から生じる水には、例えば、燃料電池6の空気極6kから排出されたガスを熱交換器71に導き、この熱交換器71中をポンプ72によって貯湯タンク50との間を循環する水で冷却することによって得られたドレン水や燃料極6aから排出されたガスに含まれている水がある。
【0023】
市水補給装置69は、電動弁76を有する水道管52を介して水源78に接続されており、供給タンク67の水量が減って水位が低下したことを水位計79が検知したときに液面制御装置77が電動弁76を開き、水源78の水圧を利用して水道管52、水処理装置(イオン交換樹脂)51を経て供給タンク67に水を補給し、水タンク21に水を供給するのに支障のない水量を保持する装置である。
水タンク21には、タンク内の上部に常に空気部分(気相部)53が形成されるように水の水位を保つ液面制御装置LCおよび水タンク21内の水温を設定範囲に保つ温度調節装置TCとを有している。
【0024】
液面制御装置LCは、水位計54と電動弁56の制御装置を備えて水タンク21内の水量を常時監視しつつ、反応用空気が、水タンク21の中を通過する際に適度に加湿されて燃料電池6に供給されるようにタンク内に水を貯え、かつ上部に気相部53が形成されるように水量を制御し、水位が低下した場合はポンプ74を運転し、電動弁56の開度を調節して供給タンク67から管路84を経て処理水を導入し、水タンク21内の水位を設定範囲に保つようにしている。
55は、水位計54による水位の検出が泡立ちなどにより不安定になるのを防止する消波板である。
【0025】
温度調節装置TCは、燃料電池6の空気極6kに反応空気を供給する際に、水タンク21内で適度に加湿が行えるように水の温度を例えば50〜80℃の温度範囲(設定温度)に保つ装置である。63はバブリング用の多孔板である。
【0026】
以上のような構成のPEFC装置GSは、発電と熱利用のコジェネレーションシステムの形態をとるので、燃料電池の発電効率が図られるばかりでなく、このシステムで使用される水の有効な再利用が図られる効果がある。
しかし、装置起動時には、水タンク21内の水の温度や燃料電池6の温度が低く、燃料電池6の温度が作動温度近くの温度域で安定するまで時間がかかるという問題があった。
【0027】
この問題に鑑みて装置起動開始時に前記プロセスガスバーナ34で水素を燃焼させて排ガスの熱を回収して前記水タンク21の水を昇温し、昇温した温水を燃料電池6に循環して送って燃料電池6を加熱するようにした固体高分子形燃料電池発電装置が提案された(特願2001−006349)。
図3はこの固体高分子形燃料電池発電装置を説明する系統図である。
図3において、図4に示した構成部分と同じ構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略する。
【0028】
図3に示した固体高分子形燃料電池発電装置GS1は、排気系31の熱交換器32、排気系45の熱交換器46および燃料電池6の空気極kから排出されたガスの熱交換器71の後に、さらに熱交換器HEXを設置し、貯湯タンク50中の水をポンプPによりこの熱交換器HEXを経て、熱交換器71、32、46に送って熱交換して排熱回収した温水Aを、直接水タンク21へ熱交換可能に循環して送るラインL1を設けてある。そして、前記温水AをラインL1を経て水タンク21へ送らなくてもよい場合に温水Aを貯湯タンク50へ送るラインL2が併設されており、ラインL1には開閉弁82、ラインL2には開閉弁81がそれぞれ設けてある。
T1はパイプ(水管)73に設けられた温度計で燃料電池6の冷却部6cを循環する冷却水の温度を検知する手段であり、T2は水タンク21中に設けられた温度計であり水タンク21の温度を検知する手段である。
固体高分子形燃料電池発電装置GS1は、このような熱回収装置RD1などを備えた以外は図4に示した固体高分子形燃料電池発電装置GSと同様になっている。
【0029】
そして、固体高分子形燃料電池発電装置GS1の起動開始時、水タンク21の水温(温度計T2で測定される水温)が設定温度以下(例えば50〜80℃以下)で燃料電池6の温度が設定温度以下(例えば70〜80℃以下)である場合は、図示しない制御装置から信号をPGバーナ34、ファン37、開閉弁81、82、ポンプPに送って、ファン37を作動させ、水素を管路35、開閉弁36を経て供給してPGバーナ34を作動させて点火するとともに、ラインL2の開閉弁81を閉め、ラインL1の開閉弁82を開け、そしてポンプPを作動させて、PGバーナ34に連結された熱交換器46で熱回収され昇温した温水Aを含む貯湯タンク50の温水をラインL1に循環して送って、水タンク21中の水を加熱する。そして図示しない制御装置から信号をポンプ48に送ってポンプ48を作動させて燃料電池6の冷却部6cに温水を循環して送って燃料電池6本体の温度を上昇させる。燃料電池6本体の温度が充分上昇して燃料電池6が正常に作動すればラインL2の開閉弁81を開け、ラインL1の開閉弁82を閉め、温水をラインL1に循環して送るのを停止し熱交換器46で熱回収され昇温した温水Aを貯湯タンク50に供給する。
【0030】
このようにすることにより、起動時において固体高分子形燃料電池発電装置GS1の燃料電池6の温度を作動温度近くの温度域まで加熱する時間が大分短縮されたが、起動後に改質器3などの各装置が安定するまでは二酸化炭素や一酸化炭素を含む水素濃度の低い改質ガスがPGバーナ34に供給されるため、燃焼熱量が少い、安定燃焼ができないなどの問題があるため未だ改良の余地があった。
【0031】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の上記問題を解決し、起動時において燃料電池の温度を作動温度近くの温度域まで短時間で加熱でき起動時間を短縮できる固体高分子形燃料電池発電装置を提供することである。
【0032】
【課題を解決する為の手段】
すなわち、本発明の請求項1の固体高分子形燃料電池発電装置は、炭化水素系燃料ガスを水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するCO変成器と、一酸化炭素を除去するCO除去器と、起動後に各反応器が安定するまで前記水素を燃焼するプロセスガスバーナと、前記水素によって発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための水を収納した水タンクと、前記改質器の排ガスと前記燃料電池の排ガスと前記プロセスガスバーナの排ガスの熱を回収して温水とする熱交換器と、前記温水を蓄える貯湯タンクとを備えた固体高分子形燃料電池発電装置であって、前記プロセスガスバーナに炭化水素系燃料ガスを供給する管路を設け、装置起動開始時に前記炭化水素系燃料ガスを前記管路を経て供給し、前記プロセスガスバーナで前記炭化水素系燃料ガスを単独で燃焼させるか、あるいは前記水素とともに前記炭化水素系燃料ガスを燃焼させ、前記プロセスガスバーナの排ガスの熱を回収して前記水タンクの水を昇温し、昇温した温水を前記燃料電池に循環して送って前記燃料電池を加熱することを特徴とする。
【0033】
本発明の請求項2の固体高分子形燃料電池発電装置は、請求項1記載の固体高分子形燃料電池発電装置において、起動後に前記改質器が安定したら前記プロセスガスバーナへの前記炭化水素系燃料ガスの供給を停止し、前記水素を前記プロセスガスバーナで燃焼させることを特徴とする。
【0034】
本発明の固体高分子形燃料電池発電装置は、装置起動開始時に炭化水素系燃料ガスを前記プロセスガスバーナで単独で燃焼させるか、あるいは水素とともに燃焼させて排ガスの熱を回収して前記水タンクの水を昇温し、昇温した温水を燃料電池に循環して送って燃料電池を加熱するので、燃料電池の温度を作動温度近くの温度域まで短時間で加熱でき起動時間を短縮できる。
そして、起動後に前記改質器が安定し、水素濃度の高い燃焼熱量の高い改質ガスをPGバーナに供給できるようになったら、PGバーナへの炭化水素系燃料ガスの供給を停止し、水素濃度の高い改質ガスのみをプロセスガスバーナで燃焼させるようにすれば、炭化水素系燃料ガスの消費量を少なくし、かつ安定燃焼を行うことができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
図1は、本発明の固体高分子形燃料電池発電装置の実施形態を説明する系統図である。図2は、図1に示した本発明による固体高分子形燃料電池発電装置の温水の流れの一実施形態を示す説明図である。
図1〜2において、図3〜4に示した構成部分と同じ構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略する。
【0036】
図1に示した本発明の固体高分子形燃料電池発電装置GS2は、PGバーナ34に炭化水素系燃料ガスを供給する開閉弁100を備えた管路101を設け、装置起動開始時に開閉弁100を開けて炭化水素系燃料ガスを管路101を経てPGバーナ34に供給して単独で燃焼させて排ガスの熱を回収して水タンク21の水を昇温し、昇温した水タンク21の温水を燃料電池6に循環して送って燃料電池6を加熱するようにした以外は図3に示した固体高分子形燃料電池発電装置GS1と同様になっている。
【0037】
本発明の固体高分子形燃料電池発電装置GS2の起動開始時、水タンク21の水温が設定温度以下で燃料電池6の温度が設定温度以下である場合は、図示しない制御装置から信号をPGバーナ34、ファン37、開閉弁81、82、100、ポンプPに送って、ファン37を作動させ、炭化水素系燃料ガスを管路101を経て供給してPGバーナ34を作動させて点火するとともに、ラインL2の開閉弁81を閉め、ラインL1の開閉弁82を開け、そしてポンプPを作動させて、PGバーナ34に連結された熱交換器46で熱回収され昇温した温水Aを含む貯湯タンク50の温水をラインL1に循環して送って、水タンク21中の水を加熱する(図2参照)。そして図示しない制御装置から信号をポンプ48に送ってポンプ48を作動させて燃料電池6の冷却部6cに水タンク21の温水を循環して送って燃料電池6本体の温度を上昇させる。
【0038】
燃料電池6本体の温度が充分上昇して燃料電池6が正常に作動すればラインL2の開閉弁81を開け、ラインL1の開閉弁82を閉め、温水をラインL1に循環して送るのを停止し熱交換器46で熱回収され昇温した温水Aを貯湯タンク50に供給する。
【0039】
上記の例では装置起動開始時に炭化水素系燃料ガスをPGバーナ34で単独で燃焼させる例を示したが、水素濃度の低い改質ガスあるいは水素濃度の高い改質ガスを管路35、開閉弁36を経てPGバーナ34に供給してPGバーナ34で炭化水素系燃料ガスとともに燃焼させることもできる。
そして、起動後に改質器3が安定し、例えば改質器3の温度が設定温度(約600℃)に達すると水素濃度の高い燃焼熱量の高い改質ガスが得られるので、この改質ガスをPGバーナ34へ供給し、PGバーナ34への炭化水素系燃料ガスの供給を停止し、水素濃度の高い改質ガスのみをPGバーナ34で燃焼させるようにすれば、炭化水素系燃料ガスの消費量を少なくし、かつ安定燃焼を行うことができる。
このようにすることにより、起動時において燃料電池6の温度を作動温度近くの温度域まで短時間で加熱でき、起動時間を短縮できる。
【0040】
なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【0041】
【発明の効果】
本発明の請求項1記載の固体高分子形燃料電池発電装置は、燃料電池のメンテナンスが簡略化され、発電と熱利用のコジェネレーションシステムの形態をとるので、燃料電池の発電効率が図られるばかりでなく、このシステムで使用される水の有効な再利用が図られる効果があるとともに、起動時において燃料電池の温度を作動温度近くの温度域まで短時間で加熱でき、起動時間を短縮できるという顕著な効果を奏する。
【0042】
本発明の請求項2の固体高分子形燃料電池発電装置は、請求項1記載の固体高分子形燃料電池発電装置において、起動後に前記改質器が安定したら前記プロセスガスバーナへの炭化水素系燃料ガスの供給を停止し、水素のみを前記プロセスガスバーナで燃焼させるので、請求項1記載の固体高分子形燃料電池発電装置と同じ作用効果を奏するとともに、炭化水素系燃料ガスの消費量を少なくし、かつ安定燃焼を行うことができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による固体高分子形燃料電池発電装置の一実施形態を示す系統図である。
【図2】図1に示した本発明による固体高分子形燃料電池発電装置の温水の流れの一実施形態を示す説明図である。
【図3】従来の固体高分子形燃料電池発電装置の系統図である。
【図4】従来の他の固体高分子形燃料電池発電装置の系統図である。
【符号の説明】
3 改質器
4 CO変成器
5 CO除去器
6 燃料電池
6c 冷却部
10、23〜25、28、43、47、48 ポンプ
21 水タンク
34 プロセスガスバーナ
17、18、19、32、71 熱交換器
37 プロセスガスバーナに燃焼用空気を送るファン
46 プロセスガスバーナに連結された熱交換器
50 貯湯タンク
L1 温水Aを熱交換可能に水タンクへ循環して送るライン
L2 温水Aを貯湯タンクへ送るライン
GS、GS1、GS2 固体高分子形燃料電池発電装置
RD、RD1 熱回収装置
HEX 熱交換器
T1、T2 温度計
P 排熱回収用ポンプ
100 開閉弁
101 管路
Claims (2)
- 炭化水素系燃料ガスを水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するCO変成器と、一酸化炭素を除去するCO除去器と、起動後に各反応器が安定するまで前記水素を燃焼するプロセスガスバーナと、前記水素によって発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための水を収納した水タンクと、前記改質器の排ガスと前記燃料電池の排ガスと前記プロセスガスバーナの排ガスの熱を回収して温水とする熱交換器と、前記温水を蓄える貯湯タンクとを備えた固体高分子形燃料電池発電装置であって、
前記プロセスガスバーナに炭化水素系燃料ガスを供給する管路を設け、
装置起動開始時に前記炭化水素系燃料ガスを前記管路を経て供給し、
前記プロセスガスバーナで前記炭化水素系燃料ガスを単独で燃焼させるか、あるいは前記水素とともに前記炭化水素系燃料ガスを燃焼させ、
前記プロセスガスバーナの排ガスの熱を回収して前記水タンクの水を昇温し、
昇温した温水を前記燃料電池に循環して送って前記燃料電池を加熱する
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電装置。 - 起動後に前記改質器が安定したら前記プロセスガスバーナへの前記炭化水素系燃料ガスの供給を停止し、前記水素を前記プロセスガスバーナで燃焼させることを特徴とする請求項1記載の固体高分子形燃料電池発電装置。
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