JP3837662B2 - 燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法 - Google Patents
燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を含む炭化水素系燃料ガスを原燃料とする燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、燃料から電力に変換するエネルギ変換装置として、燃料電池発電装置が注目されている。
【0003】
この燃料電池発電装置は、幾つかのタイプのものが稼動中または研究開発中であるが、その中でも電解質として固体高分子膜を用いる固体高分子型燃料電池が構造コンパクトで、高出力密度が得られ、しかも簡易なシステムで運転ができるため、定置用分散電源だけでなく、宇宙用、車両用、さらに家庭用等幅広い産業分野への電力供給源として脚光を浴びている。
【0004】
また、燃料電池発電装置は、電気化学反応の際、生成される熱を巧みに利用する、いわゆるコジェネレーション分野への適用も開発されつつある。
【0005】
このように、社会生活にとって著しく期待度合の高い燃料電池発電装置は、大別して燃料電池本体と燃料処理系統等を備えた構成になっている。
【0006】
燃料電池本体は、プロトン導電性の固体高分子膜を触媒を被覆するガス拡散電極で挟む膜電極複合体を備えるとともに、その両外側に集電体としてのガス供給溝を備えるガス透過性の低い材料で製作されたセパレータを交互に積層状に配置し、電池スタックを構成している。
【0007】
また、ガス拡散電極は、片面が燃料極、残りの片面が空気極(酸化剤極)を備えており、水素を主成分とする燃料ガスと空気とがセパレータのガス供給溝を介してそれぞれ区分けして供給させている。
【0008】
一方、燃料処理系統は、水添脱硫装置、改質器、シフト反応器、一酸化炭素除去器等を備え、都市ガス、天然ガス、メタノール等のうち、いずれかの炭化水素系燃料から水素を主成分とする燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスに含まれている硫黄を脱硫装置の触媒を用いて除去した後、改質器で触媒を用いて化学反応により、例えば水蒸気を加えて炭化水素系燃料を水素主成分の燃料ガスに水蒸気改質させている。
【0009】
改質器で水蒸気改質させた燃料ガスには、一酸化炭素(CO)が多く含まれているため、燃料電池本体等の触媒を被毒させ、性能の低下、あるいは事故発生の要因にもなっている。
【0010】
このため、燃料処理系統は、水蒸気改質させた燃料ガスのうち、一酸化炭素をシフト反応器、一酸化炭素除去器の各触媒で除去し、二酸化炭素にして燃料電池本体に供給し、ここで電気化学的に反応させ、その際に発生する直流電力を取り出していた。
【0011】
このように、燃料電池発電装置は、クリーンなエネルギを巧みに利用し、電気化学的反応により電力を発生させているので、環境汚染のない動力発生装置としてより一層の発展が期待されている。
【0012】
また、昨今、環境意識の高まりから、汚泥消化装置や生ゴミ処理装置等の環境機器から発生する副生ガスのさまざまなエネルギ利用の検討がなされている。これらの副生ガスの中には、例えば、食品加工工程の際、発生する水素ガス約80%、メタンガス約20%といった多くの水素を含むものもあるが、ガス組成、熱量の違いにより、上記燃料処理系統をそのまま利用して燃料電池発電装置を運転することは困難であった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池発電装置は、環境汚染のない動力発生装置として高く評価されているものの、それでも幾つかの問題点があり、その中にシステムの簡素化と起動時間の短縮化がある。
【0014】
燃料電池発電装置は、炭化水素系燃料を水蒸気改質させ、燃料ガスを燃料電池本体に供給するまで、上述のとおり、脱硫、水蒸気改質、一酸化炭素除去等、多くの工程を経ている。
【0015】
このため、燃料電池発電装置は、多くの設備を必要とし、各設備で処理する燃料ガスの流量、温度、圧力を適正状態量に維持する制御演算系が必要となる等、設備の複雑化を招いていた。
【0016】
また、燃料電池発電装置は、多くの設備で燃料ガスを処理反応させる際、各設備に装着した触媒で行っているが、触媒を高い触媒効率に維持させる温度にするまでに多くの時間を要し、このため、起動時間が長くなる等の問題があった。
【0017】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、水素を含む炭化水素系燃料を原燃料ガスとする発電装置において、設備を簡素化させる一方、起動運転時間の短縮化を図った燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項1に記載したように、水素を含む炭化水素系燃料ガスを原燃料とし、その原燃料の硫黄を脱硫後、直接供給して発電させる燃料電池本体と、脱硫後の原燃料に含まれる炭化水素を水素リッチなガスに変換させる燃料処理装置とを備えた燃料電池発電装置において、起動運転時は、脱硫後の原燃料を直接、燃料電池本体に供給させる起動運転用燃料供給系統と、通常運転時は、脱硫後の原燃料を燃料処理装置を介した後に、燃料電池本体に供給させる通常運転用燃料供給系統とを備えたものである。
【0024】
また、本発明に係る燃料電池発電装置の運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項2に記載したように、起動運転時、脱硫後の原燃料を直接、燃料電池本体に供給して発電を行わせ、前記燃料電池本体から出た未反応ガスを燃料処理装置の改質器に熱源として供給する一方、前記燃料処理装置に装着する触媒の反応温度範囲になったとき切り替えて、前記原燃料を前記燃料処理装置を介して前記燃料電池本体に供給して発電を行わせる運転方法である。
【0025】
また、本発明に係る燃料電池発電装置の運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項3に記載したように、起動運転時、脱硫後の水素を含む原燃料を直接、第1燃料電池本体に供給して発電を行わせ、第1燃料電池本体発電中、前記第1燃料電池本体から出る燃料ガスを加熱源として燃料処理装置へ供給することにより燃料処理装置に装着する触媒が反応度範囲になったとき、切り替えて第2燃料電池本体から出る燃料ガスを前記燃料処理装置に、水素製造の原燃料として供給し、前記第2燃料電池本体に発電を行わせる運転方法である。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【0027】
図1は、本発明に係る燃料電池発電装置の第1実施形態を示す概略系統図である。
【0028】
本実施形態に係る燃料電池発電装置は、脱硫器1、燃料電池本体2、ボイラ3を備える構成になっており、水素を含む原燃料FULを脱硫器1に供給して硫黄を除去した後、燃料電池本体2に供給し、ここで原燃料FULに含まれる水素ガスを空気中の酸素ガスと化学反応させ、その際に発生する直流電力を取り出し、変換器を経て外部に電力として供給するようになっている。
【0029】
また、本実施形態に係る燃料電池発電装置は、燃料電池本体2で化学反応の際、未反応として残った水素ガスをボイラ3に供給し、ここで未反応の水素ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスの熱で水を水蒸気にし、その水蒸気を、給湯用として、また温水プール用として熱利用部に供給する。
【0030】
このように、本実施形態は、脱硫器1、燃料電池本体2、ボイラ3を備え、脱硫器1で原燃料FULに含まれる硫黄を除去した後、燃料電池本体2で硫黄を除去した原燃料の水素ガスと酸素ガスとを化学反応させて電力を取り出す一方、化学反応中、未反応の水素ガスおよび炭化水素ガスをボイラ3で燃焼させ、その熱で発生する水蒸気を熱利用部に供給し、従来の燃料処理系統を大幅に取り除いたので、システムとしての設備をより一層簡素化させることができる。
【0031】
図2は、本発明に係る燃料電池発電装置の第2実施形態を示す概略系統図である。
【0032】
本実施形態に係る燃料電池発電装置は、原燃料FULの硫黄を除去し、原燃料FULに含まれている水素を水蒸気改質させるとともに、水蒸気改質中に生成する一酸化炭素(CO)を除去する燃料処理装置4と、水蒸気改質させた燃料ガスと空気中の酸素とを電気化学的に反応させ、その際に発生する直流電力を取り出す燃料電池本体2とを備える構成になっている。
【0033】
また、本実施形態に係る燃料電池発電装置は、起動運転時、硫黄除去後の原燃料FULを、直接、燃料電池本体2に供給する起動運転用燃料供給系統5と、通常運転時、硫黄除去後の原燃料FULを、燃料処理装置4を介して燃料電池本体2に切り替えて供給する通常運転用燃料供給系統6と、燃料電池本体2で未反応のアノード排ガスを燃料処理装置4に吸熱反応用熱源として供給する燃料ガス回収系統7とを備えている。
【0034】
燃料処理装置4は、原燃料FULの流れに沿って順に、脱硫器1、改質器8、シフト反応器9、一酸化炭素(CO)除去器10を備え、脱硫器1で原燃料FULの硫黄を除去し、硫黄除去後の原燃料FULに水蒸気を加えて改質器8で燃料ガス回収系統7から供給されるアノード排ガスの吸熱反応用熱源の下、水蒸気改質させ、水蒸気改質後の燃料ガスのうち、一酸化炭素(CO)の濃度をシフト反応器9で低下させ、さらに一酸化炭素除去器10で一酸化炭素を二酸化炭素に変換させるようになっている。
【0035】
次に、上述の構成に基づく燃料電池発電装置の運転方法を説明する。
【0036】
本実施形態に係る燃料電池発電装置の運転方法は、起動運転時と通常運転時とで原燃料FULの燃料電池本体2への供給系統を異ならしめている。
【0037】
一般に、燃料電池発電装置は、燃料処理装置4の改質器8、シフト反応器9および一酸化炭素除去器10等のそれぞれに触媒を装着している。触媒は、高い触媒効率を維持させるに必要な温度が高温、具体的には約150℃から700℃である。このため、起動運転時、燃料処理装置4は、高温の熱源を確保することができない。
【0038】
本実施形態は、このような点を考慮したもので、起動運転時、脱硫器1で硫黄除去後の水素を含む原燃料FULを、起動運転用燃料供給系統5を介して直接、燃料電池本体2に供給し、原燃料FUL中の水素と、外部から供給された空気中の酸素と反応させ、その際に発生する直流電力を取り出す一方、直流電力の発生中、未反応の燃料ガスを燃料ガス回収系統7を介して燃料処理装置4の改質器8、シフト反応器9、一酸化炭素除去器10等に順次供給し、改質器8、シフト反応器9、一酸化炭素除去器10等の各触媒が反応できる温度範囲になると、脱硫器1で硫黄が除去された原燃料FULを通常運転用燃料供給系統6に切り替えて燃料電池本体2に供給する。
【0039】
通常運転用燃料供給系統6に供給された原燃料FULは、水蒸気とともに燃料処理装置4の改質器8で燃料ガス回収系統7から供給されるアノード排ガスの吸熱反応用熱源の下、水蒸気改質され、さらにシフト反応器9で一酸化炭素の濃度を低減させ、一酸化炭素除去器10で一酸化炭素を二酸化炭素に変換させた後、空気とともに燃料電池本体2に供給され、直流電力を発生させる。
【0040】
このように、本実施形態は、起動運転時、脱硫後の原燃料FULを、直接、燃料電池本体2に供給して直流電力を発生させ、この間、燃料電池本体2から燃料処理装置4に回収される未反応のアノード排ガスが燃料処理装置4の改質器8、シフト反応器9、一酸化炭素除去器10を循環し、改質器8、シフト反応器9、一酸化炭素除去器10の各触媒が反応できる温度範囲なったとき切り替えて、脱硫後の原燃料FULを通常運転用燃料供給系統6を介して燃料電池本体2に供給して直流電力を発生させるので、触媒の高温維持の下、起動運転時間をより一層短縮させることができる。
【0041】
図3は、本発明に係る燃料電池発電装置の第3実施形態を示す概略系統図である。
【0042】
本実施形態に係る燃料電池発電装置は、脱硫器1で硫黄を除去した水素を含む原燃料FULを使用し、原燃料中の水素と空気中の酸素との反応により直流電力を取り出す第1燃料電池本体11と、この第1燃料電池本体11から出た燃料ガスに水蒸気を加えて燃料ガスを再生し、水素リッチな燃料ガスにする燃料処理装置12と、この燃料処理装置12で水素リッチにした燃料ガスと空気中の酸素との反応により直流電力を取り出す第2燃料電池本体13とを備える構成になっている。
【0043】
また、本実施形態に係る燃料電池発電装置は、第2燃料電池本体13で未反応のアノード排ガスを燃料処理装置12に吸熱反応用熱源として供給する燃料ガス回収系統14を備えている。
【0044】
燃料処理装置12は、第2実施形態と同様に、燃料ガスの流れに沿って順に、改質器15、シフト反応器16、一酸化炭素除去器17を備え、第1燃料電池本体11から出た燃料ガスに水蒸気を加えて改質器16で燃料ガス回収系統14から供給されるアノード排ガスの吸熱反応用熱源の下、水蒸気改質させ、水蒸気改質後の燃料ガスのうち、一酸化炭素の濃度をシフト反応器16で低下させ、さらに一酸化炭素除去器17で一酸化炭素を二酸化炭素に変換させている。
【0045】
次に、このような構成に基づいて燃料電池発電装置の運転方法を説明する。
【0046】
本実施形態に係る燃料電池発電装置の運転方法は、脱硫器1で硫黄除去後の原燃料FULを第1燃料電池本体11に供給して直流電力を発生させた後、第1燃料電池本体11から出る未反応のアノード排ガスを燃料処理装置12に加熱源として供給し、この燃料処理装置12における改質器15、シフト反応器16、一酸化炭素除去器17の各触媒が反応できる温度範囲になると切り替えて、第2燃料電池本体13から出る未反応のアノード排ガスを燃料処理装置12の改質器に水素製造の原燃料として供給し、このアノード排ガスの吸熱反応熱源の下、水素リッチな水蒸気改質をさせて再生し、さらにシフト反応器16で一酸化炭素の濃度を低下させ、一酸化炭素除去器17で一酸化炭素を二酸化炭素に変換させ、第2燃料電池本体13で直流電力を発生させる。
【0047】
このように、本実施形態は、第1燃料電池本体11、第2燃料電池本体13等の複数の燃料電池本体を備えて発電量を増加させることと相俟って、第1燃料電池本体11で直流電力を発生させた後の未反応のアノード排ガスを燃料処理装置12に加熱源として供給し、この燃料処理装置12における各装置の触媒が反応できる温度範囲になると切り替え、第2燃料電池本体13から出る未反応のアノード排ガスを燃料処理装置12に水素製造の原燃料して供給し、第2燃料電池本体13で直流電力を発生させるので、第2燃料電池本体13の起動運転時間をより一層短縮させることができる。
【0048】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明に係る燃料電池発電装置は、硫黄除去後の水素を含む原燃料を、直接、燃料電池本体に供給するとともに、燃料電池本体で電力を発生させた燃料ガスをボイラに供給して水蒸気を発生させ、発生した水蒸気を熱利用部に供給するので、設備の簡素化と相俟ってエネルギの有効活用を図ることができる。
【0049】
また、本発明に係る燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法は、硫黄除去後の原燃料を、直接、燃料電池本体に供給して電力を発生させ、この間、燃料電池本体から燃料処理装置に回収させる未反応のアノード排ガスで燃料処理装置における各装置の触媒が反応できる温度範囲になったときに切り替えて、原燃料を燃料処理装置を介して燃料電池本体に供給して直流電力を発生させるので、触媒の反応温度維持の下、起動運転時間をより一層短縮させることができる。
【0050】
また、本発明に係る燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法は、複数の燃料電池本体を備えて発電量を増加させる一方、第1燃料電池本体で直流電力を発生させた後の未反応のアノード排ガスで燃料処理装置における各装置の触媒が反応できる温度範囲になったときに切り替えて、原燃料を燃料処理装置を介して第2燃料電池本体に供給して直流電力を発生させるので、触媒の高温維持の下、第2燃料電池本体の起動運転時間をより一層短縮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池発電装置の第1実施形態を示す概略系統図。
【図2】本発明に係る燃料電池発電装置の第2実施形態を示す概略系統図。
【図3】本発明に係る燃料電池発電装置の第3実施形態を示す概略系統図。
【符号の説明】
1 脱硫器
2 燃料電池本体
3 ボイラ
4 燃料処理装置
5 起動運転用燃料供給系統
6 通常運転用燃料供給系統
7 燃料ガス回収系統
8 改質器
9 シフト反応器
10 一酸化炭素除去器
11 第1燃料電池本体
12 燃料処理装置
13 第2燃料電池本体
14 燃料ガス回収系統
15 改質器
16 シフト反応器
17 一酸化炭素除去器
Claims (3)
- 水素を含む炭化水素系燃料ガスを原燃料とし、その原燃料の硫黄を脱硫後、直接供給して発電させる燃料電池本体と、脱硫後の原燃料に含まれる炭化水素を水素リッチなガスに変換させる燃料処理装置とを備えた燃料電池発電装置において、起動運転時は、脱硫後の原燃料を直接、燃料電池本体に供給させる起動運転用燃料供給系統と、通常運転時は、脱硫後の原燃料を燃料処理装置を介した後に、燃料電池本体に供給させる通常運転用燃料供給系統とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
- 起動運転時、脱硫後の水素を含む原燃料を直接、燃料電池本体に供給して発電を行わせ、前記燃料電池本体から出た未反応ガスを燃料処理装置の改質器に熱源として供給する一方、前記燃料処理装置に装着する触媒の反応温度範囲になったとき切り替えて、前記原燃料を前記燃料処理装置を介して前記燃料電池本体に供給して発電を行わせることを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
- 起動運転時、脱硫後の水素を含む原燃料を直接、第1燃料電池本体に供給して発電を行わせ、第1燃料電池本体発電中、前記第1燃料電池本体から出る燃料ガスを加熱源として燃料処理装置へ供給することにより燃料処理装置に装着する触媒が反応度範囲になったとき、切り替えて第2燃料電池本体から出る燃料ガスを前記燃料処理装置に、水素製造の原燃料として供給し、前記第2燃料電池本体に発電を行わせることを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
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