JP4259674B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料を改質器によって改質し、得られた水素に富む改質ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来のこの種の燃料電池発電装置の反応ガス系統の構成例を示す基本系統図である。
図において、１は模式的に表示した燃料電池であり、一般に、 空気極１ａと燃料極１ｂを備えた多数の単セルを積層し、電池冷却水を通流して燃料電池１の温度を所定の運転温度に保持するための冷却板１ｃを適宜挿入して構成される。発電運転に際しては、燃料電池１の空気極１ａには酸素に富む反応空気が、燃料極１ｂには水素に富む燃料ガスが供給される。
【０００３】
このうち、燃料ガスには、原燃料を改質器２で改質して得られた水素に富む改質ガスが用いられる。すなわち、天然ガスやメタノール等の炭化水素化合物を含む原燃料は、図示しない系統で発生させた水蒸気と混合させて、改質器２の触媒層２ｂへと送られる。改質器バーナー２ａによって加熱された改質触媒層２ｂ における水蒸気改質反応により、炭化水素化合物は、水素、二酸化炭素および一酸化炭素を主成分とする改質ガスに変換される。このうち一酸化炭素は、燃料電池の電極の触媒に用いられる白金を被毒し、性能を低下させるので、上記の改質ガスは、図示しない一酸化炭素変成器によって一酸化炭素を二酸化炭素へと変成させたのち、水素濃度が 70 ％以上、二酸化炭素濃度が約 20 ％（残余は水蒸気、メタン、および若干量の一酸化炭素）のガスとして燃料電池１の燃料極１ｂへと送られる。
【０００４】
上記のごとく水素に富む燃料ガスを燃料極１ｂへと送り、電池反応を生じさせると、電池反応に伴って所定の利用率に見合った水素が消費される。燃料極１ｂより排出される燃料極オフガスは、なお一定量の水素を含有しているので、これを有効に利用するために、改質器２の改質器バーナー２ａへと送られ、別途供給した燃焼空気と混合、燃焼され、改質触媒層２ｂの加熱に利用されている。
【０００５】
なお、改質器バーナー２ａにおける燃焼により生じた燃焼排ガスは生成水回収装置３へと送られ、燃焼反応によって生じた燃焼生成水を回収したのち、排気されている。
【０００６】
これに対して、燃料電池１の空気極１ａには、酸素に富む反応空気として、周辺の空気がブロアあるいはコンプレッサー等によって供給され、反応空気に含まれる酸素が電池反応に寄与する。空気極１ａより排出される空気極オフガスは、生成水回収装置３へと送られ、電池反応に伴って生成され、空気極オフガスとともに排出された反応生成水を回収したのち、大気へと排気されている。
【０００７】
一方、水素は、上記の燃料電池以外にも、種々様々な装置や設備に広く用いられており、ボンベ充填ガス、液化ガス、金属水素化合物吸蔵ガス、あるいは炭化水素化合物を水蒸気改質して得た水素として使用されている。このうち、炭化水素化合物を水蒸気改質して水素を得る水素製造設備では、上記の燃料電池に供給する燃料ガスと同様に、炭化水素化合物を含む原料ガスを改質器で水素濃度の高いガスへと改質したのち、圧縮機で圧縮し、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）装置、あるいは膜分離装置等の水素精製装置に送って分離精製することにより水素を得ている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
種々の装置や設備に用いる水素として、上記の炭化水素化合物を水蒸気改質して水素を得る水素製造設備で得られる水素を用いる場合には、改質器、圧縮機、および水素精製装置等の設備費を要するが、運転費が安くなるため、恒常的に水素を使用する場合には、例えばボンベ充填ガス等により購入するガスに比べて水素の単価は安くなる。
【０００９】
しかしながら、使用する装置あるいは設備での水素需要量が一定でなく、例えば夜間や週末の水素需要量が皆無となるものにおいては、稼働率が低下するので設備費の償却に長期間を要することとなり、十分なメリットが得られないという難点がある。また、水素需要量の変動に合わせて水素製造設備の運転、停止を繰り返すこととすれば、特に高温度、例えばメタンを主成分とする天然ガスの水蒸気改質では 800℃、で使用される改質器の構造部材は大きな熱サイクルを受けることとなり、改質器の寿命が短くなる危険性がある。
【００１０】
一方、電力需要の多寡により昼間に比べて夜間の買電単価は安いので、燃料電池発電装置による夜間の発電運転は必ずしも有利とは言えない。
本発明の目的は、燃料電池の発電運転の有無にかかわらず改質器が有効に運転され、効率的に運用される燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、天然ガスやメタノール等の炭化水素化合物を含む原燃料を改質器によって改質し、得られた水素に富む改質ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスとして用いる燃料電池発電装置において、改質器で得られた改質ガスを燃料電池の燃料極へと供給する供給配管に、圧縮機と水素精製装置、例えば圧力を変動させて特定のガス種を吸着分離する圧力スイング吸着（ＰＳＡ）装置、あるいは選択的透過性を有する膜分離装置等の水素精製装置を直列に備えた水素精製系へ、改質ガスを選択的に分岐させる分岐配管を連結し、水素精製装置で精製された水素は燃料電池以外の水素使用先へ供給することとする。
また、前記燃料電池の発電運転停止中に、改質ガスを全て前記水素精製装置に供給して前記改質器の運転を継続することとする。
【００１２】
上記のごとく、改質ガスの燃料極への供給配管に水素精製系へ選択的に分岐させる分岐配管を連結すれば、改質器で得られた改質ガスの供給先を燃料電池の燃料極と水素精製系との間で自由に選択して運用できることとなる。したがって、改質ガスの供給先を燃料電池の燃料極から水素精製系へと切り替えれば、燃料電池の運転停止時にも従来のように改質器の運転を停止する必要はなく、改質ガスは水素精製系において高純度水素へと精製される。このため、改質器の構成部品の熱サイクルを受ける頻度が低下し、改質器の長寿命化が可能となる。
【００１３】
このように構成すれば、例えば、昼間は、改質ガスの供給先を燃料電池の燃料極に選択して燃料電池の発電運転を行い、電力需要量が少なく、買電価格の安い夜間には、燃料電池の発電運転を停止して改質ガスの供給先を水素精製系へと切り替えて高純度水素を製造し、直接、あるいはタンクに貯蔵したのち、使用先へと供給する方法を採ることができる。
【００１４】
なお、本発明は、改質ガスの供給先を燃料電池の燃料極と水素精製系のいずれか一方に限定するものではなく、一部は燃料電池の燃料極へ、また残りの一部は水素精製系へ供給することとしてもよい。すなわち、燃料電池の発電運転中に改質ガスの一部を水素精製系へ送って、水素の精製を行うこととしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池発電装置の実施例の反応ガス系統の構成を示す基本系統図である。本図において、図２に示した従来例の反応ガス系統の構成と同様の機能を有する構成部品には同一の符号が記されており、重複する説明は省略する。
【００１６】
本実施例の従来例との相違点は、改質器２において得られた改質ガスを燃料電池１の燃料極１ｂへと送る供給配管に、圧縮機４と水素精製装置５を備えた水素精製系へと改質ガスを導く分岐管が配されている点にある。
【００１７】
本構成においては、通常の燃料電池１の発電運転の際には、弁６を開状態に保持し、弁７を閉状態に保持することによって、ほぼ大気圧の改質ガスが燃料電池１の燃料極１ｂへと供給される。燃料電池１の発電運転を行わない場合には、弁６を閉状態に、弁７を開状態に保持することによって、改質ガスが圧縮機４へと送られる。ほぼ大気圧の改質ガスは、圧縮機４によって 0.6〜1.0 MPa 程度に加圧され、水素精製装置５へと送られて水素精製される。本水素精製装置５には、複数の容器に活性炭等の吸着剤を充填し、圧力を変動させることによって特定のガス種を吸着分離する圧力スイング吸着（ＰＳＡ）装置であるが、選択的透過性を有する膜分離装置を水素精製装置として用いてもよい。水素精製装置５で精製された水素の大部分は、直接、あるいはタンクに貯蔵したのち、使用先の設備へと供給される。また、水素精製装置５に供給された改質ガスのうち精製水素が分離された残余ガスは、燃料電池１の燃料極オフガスと同様に、改質器バーナー２ａへと送られ、残余ガス中の水素を燃焼させて改質触媒層２ｂの加熱に用いられる。
【００１８】
本構成では、燃料電池１の発電運転を行わない場合にも、改質ガスが持続して使用されるので、改質器２の運転を停止する必要がない。したがって、改質器２は一定の温度に保持されて運転されるので、運転、停止に伴なう熱サイクルを受ける頻度が大幅に低減され、長寿命化が可能となる。
【００１９】
【発明の効果】
上述のごとく、本発明においては、請求項に記載のごとく、改質器で得られた改質ガスを燃料電池の燃料極へと供給する供給配管に、圧縮機と水素精製装置を直列に備えた水素精製系へ改質ガスを選択的に分岐させる分岐配管を連結し、水素精製装置で精製された水素は燃料電池以外の水素使用先へ供給し、また、前記燃料電池の発電運転停止中に、改質ガスを全て前記水素精製装置に供給して前記改質器の運転を継続することとして燃料電池発電装置を構成したので、燃料電池の発電運転の有無にかかわらず改質器が有効に運転されることとなり、効率的に運用される燃料電池発電装置が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の実施例の反応ガス系統の構成を示す基本系統図
【図２】従来のこの種の燃料電池発電装置の反応ガス系統の構成例を示す基本系統図
【符号の説明】
１ 燃料電池
１ａ 空気極
１ｂ 燃料極
１ｃ 冷却板
２ 改質器
２ａ 改質器バーナー
２ｂ 改質触媒層
３ 生成水回収装置
４ 圧縮機
５ 水素精製装置
６ 弁
７ 弁

Claims (5)

1. 天然ガスやメタノール等の炭化水素化合物を含む原燃料を改質器によって改質し、得られた水素に富む改質ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスとして用いる燃料電池発電装置において、
   改質器で得られた改質ガスを燃料電池の燃料極へと供給する供給配管に、該改質ガスを圧縮機と水素精製装置を直列に備えた水素精製系へと選択的に分岐させる分岐配管が連結され、前記水素精製装置で精製された水素は燃料電池以外の水素使用先へ供給することを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記燃料電池の発電運転停止中に、改質ガスを全て前記水素精製装置に供給して前記改質器の運転を継続することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記水素精製装置が、複数の容器に吸着材を充填し、圧力を変動させて特定のガス種を吸着分離する圧力スイング吸着（ＰＳＡ）装置であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記水素精製装置が、選択的透過性を有する膜分離装置であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
5. 水素精製装置で精製された水素を分離除去した後の残余ガスを、前記改質器のバーナーに供給するよう構成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。

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