JP4273684B2 - 固体高分子型燃料電池発電装置とその運転方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
固体高分子膜を電解質層として用いた燃料電池本体に燃料ガスと空気を供給して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子型燃料電池発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図2は、従来の固体高分子型燃料電池発電装置の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー図である。
燃料電池本体5の空気極には、空気ブロア11で採り込まれた空気が供給され、燃料極には、外部より供給された原燃料を脱硫、改質、CO除去して得られる高水素濃度の燃料ガスが供給される。
【0003】
すなわち、原燃料として外部より供給された都市ガスは、まず脱硫器1で脱硫され、つづいてエゼクタ9において気水分離器7から送られた改質用蒸気と混合された後、改質器2へと送られる。なお、エゼクタ9に送られる改質用蒸気の量は蒸気流量制御弁8により制御される。エゼクタ9で多量の改質用蒸気を含んだ都市ガスは、改質器2中の改質触媒層を通過することによって水素濃度の高い改質ガスへと改質される。なお、この改質反応は吸熱反応であるため、ガスを燃焼させて改質触媒層を高温に加熱する措置が採られる。改質器2で得られた改質ガスには燃料電池本体5の運転にとって有害なCOが15%近く含まれているので、燃料ガスとして用いるためにはこのCOを除去する必要がある.したがって、得られた改質ガスは、まずCO変成器3へと送られ、COをH2Oと反応させてCO2 に変成するCO変成反応によって、CO濃度が1%以下の改質ガスへと変成される。CO変成器3を出た改質ガスは、さらに、反応空気流量制御弁15を制御してO2 /CO量論比が3〜4程度となるように空気ブロア11で採り込まれた空気を付加したのち、CO除去器4へと送られる。このCO除去器4でのCO除去反応、すなわち、COをO2 と反応させてCO2 にするCO除去反応によって、改質ガス中の残存CO濃度は 10 ppm 以下に抑えられる。このようにして得られた、水素濃度が高く、CO濃度が微量の改質ガスが、燃料ガスとして燃料電池本体5の燃料極に供給される。なお、この燃料ガスの温度は、CO除去器4へ供給される冷却水によって制御され、燃料極に直接供給できるよう約 80 ℃に保持されている。燃料極より排出される燃料極排ガスは、空気ブロア11で採り込まれた空気の一部とともに改質器2のバーナーへと送られ、電池反応に寄与しなかった残存水素が燃焼されて、吸熱反応である改質反応を促進するための改質触媒層の加熱に使用される。
【0004】
また、燃料電池本体5での電池反応は発熱反応であるので、純水タンク10に貯えられた約 80 ℃の純水を電池冷却水として用い、この電池冷却水を燃料電池本体冷却水ポンプ12により燃料電池本体5の冷却機構へと循環供給することによって、燃料電池本体5を一定運転温度に保持して運転している。
また、燃料電池本体冷却水ポンプ12によって純水タンク10より取出された純水の一部は、改質用水供給ポンプ13によってCO除去器4およびCO変成器3へと送られ、CO除去反応およびCO変成反応に伴う発熱の除去に使用されている。なお、図2に示した系統では冷却水をCO除去器4とCO変成器3に直列に供給しているが、冷却水をこれらの装置に並列に供給する系統とする場合もある。CO除去器4とCO変成器3の冷却に用いられた純水は、蒸気発生器6を経たのち気水分離器7へと送られる。蒸気発生器6は、気水分離器7からエゼクタ9へと供給される改質蒸気の量を確保するために備えられたもので、CO除去器4およびCO変成器3を通過した冷却水を、改質器2のバーナーより排出される約 500℃の高温の燃焼排ガスと熱交換させることによって多量の水蒸気を得ている。蒸気発生器6より気水分離器7へと送られた多量の気液二相流の一部は、気水分離器7において凝縮され、凝縮水として貯えられる。貯えられた凝縮水の一部は、貯量が過大とならないように回収水ポンプ14を駆動してブロー水として取出される。取出されたブロー水は、水処理装置17において純化処理されたのち再び純水タンク10へと送られ、電池冷却水、あるいはCO除去器4およびCO変成器3の冷却水として使用される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固体高分子型燃料電池発電装置においては、上記のように、電池冷却水系の純水タンク10より取出された純水の一部を改質用水供給ポンプ13によってCO除去器4およびCO変成器3へ送ってこれらの冷却に用い、さらに、CO除去器4およびCO変成器3を通過した冷却水を蒸気発生器6を経由して気水分離器7へと送ることによって原燃料の改質に用いる改質用蒸気を得ている。したがって、CO除去器4およびCO変成器3の冷却水量は、改質用蒸気流量とブロー水量との和となっている。
【0006】
しかるに、ブロー水はその量が多ければ多いほど回収したエネルギーを系外に持ち出すことになるので、燃料電池発電装置としては必要最小限とする必要があり、一般に最小ブロー水量に抑えられている。このため、従来の燃料電池発電装置ではCO除去器4およびCO変成器3の冷却水量が、改質用蒸気流量と最小ブロー水量との和に制限される。したがって、CO除去器4およびCO変成器3の冷却水量は余裕に乏しく、燃料電池発電装置の負荷変動時、あるいは制御の小さな乱れ等によってCO除去器4およびCO変成器3の発熱量に変化が生じた際に十分な冷却水量の調整が行えず、冷却水自体の温度が変動して、これらの反応器の温度制御が困難になるという問題点があった。
【0007】
また、従来の固体高分子型燃料電池発電装置では、CO除去器4およびCO変成器3を通過した冷却水を蒸気発生器6へ送り、改質器2の燃焼室より排出される燃焼排ガスと熱交換させて改質用蒸気を得ているが、この構成の発電装置では、高価な蒸気発生器6が必要であるという難点があり、また、燃焼排ガスの温度を約 500℃の高温に維持する必要があるので、改質器2のバーナー直下の断熱火炎温度は改質器2の構成材料の融点(1400〜1500℃)に近い高温となり、長寿命の改質器を得ることが困難であるという問題点がある。
【0008】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の問題点を解消し、安価で、かつ燃料ガス供給系に組み込まれるCO除去器およびCO変成器の温度が容易に制御され、かつ改質器の高温化が抑制されて長時間にわたり安定して運転できる固体高分子型燃料電池発電装置、ならびにその運転方法を提供することにある。
【0009】
【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、
(1)固体高分子型燃料電池発電装置の燃料電池本体に燃料ガスを供給する系統に、原燃料に気水分離器より送られた改質用蒸気を混合して導入し、水素濃度の高いガスへと改質する改質器と、改質器で得られたガスを導入し、含まれるCOをH2 Oと反応させてCO濃度の低いガスへと変成させるCO変成器と、CO変成器で得られたガスに外部より投入した空気を混合して導入し、O2 と反応させてCOを除去するCO除去器と、CO除去器で得られたガスを冷却水で冷却して燃料電池本体に供給する燃料ガスを得る燃料ガス冷却器を備え、かつ、燃料ガス冷却器で燃料ガスを冷却した冷却水を、CO変成器およびCO除去器の冷却機構へ送ってCO変成器およびCO除去器の冷却に用い、さらにCO変成器およびCO除去器の冷却機構より排出された冷却水を、改質用蒸気を供給する気水分離器へ導入するとともに、気水分離器のブロー水を、燃料ガス冷却器で燃料ガスを冷却した前記の冷却水に混合してCO変成器およびCO除去器の冷却機構へ循環供給するよう構成することとする。
【0010】
(2)さらに、上記(1)において、燃料ガス冷却器に供給する燃料ガス冷却用の冷却水を、燃料電池本体の冷却機構に送られる電池冷却水循環系より分岐して導入し、かつ、気水分離器のブロー水の一部を水処理装置を経て電池冷却水循環系へ循環させるよう構成することとする。
(3)また、上記(1)あるいは(2)の固体高分子型燃料電池発電装置の運転に際しては、CO変成器で得られたガスに外部から投入する空気量を、CO除去器に導入されるガスのO2 /CO量論比が8以上となるよう制御して運転することとする。
【0011】
上記の(1)のごとく、CO変成器およびCO除去器の冷却に用いた冷却水を直接気水分離器に送り、得られたブロー水を燃料ガス冷却器の冷却に用いた冷却水に混合して再びCO変成器およびCO除去器の冷却機構へ循環供給するよう構成すれば、CO変成器およびCO除去器の冷却に多量の冷却水を供給することができるので、これらの反応器の発熱量が変動しても一定温度に安定して制御することが可能となる。また、ブロー水が循環使用されることとなるので、従来のように外部に熱エネルギーが持ち去られることがなく、熱効率の高い運転が可能となる。
【0012】
また、CO変成器およびCO除去器の冷却に用いた冷却水を直接気水分離器に送り、得られた水蒸気を改質用蒸気として原燃料に混合し、改質器に導入して水素濃度の高いガスへと改質することとすれば、図2に示した従来の装置で用いられていた蒸気発生器6が不要となる。また、蒸気発生器6が無いので、従来例のように改質器2から蒸気発生器6へと高温の燃焼排ガスを供給する必要がない。したがって、改質器2の運転温度を低下させることができるので、改質器2の寿命の大幅改善が可能となる。なお、上記の(1)のごとくとすれば、従来例に比べてCO変成器およびCO除去器の温度が高くなるので、燃料ガスを冷却する燃料ガス冷却器を備える必要があるが、従来例で用いられていた蒸気発生器6の最高使用温度が 500℃程度であったのに対して、設置が必要となる燃料ガス冷却器の最高使用温度は 160℃程度であり、燃料ガス冷却器のコストは蒸気発生器6に比べて大幅に低減される。
【0013】
50 kW固体高分子型燃料電池発電装置の場合について例示すれば、S/C比、すなわち、改質用蒸気のモル数と原燃料1モル中のCのモル数との比が 2.5であれば、およそ 30 kg/h弱の改質用蒸気が必要となる。したがって、改質用蒸気系統の温度を 150℃(蒸発潜熱;2.113 kJ/kg )とすれば、この量の改質用蒸気を得るに必要なエネルギーは 6.3×104 kJ/hとなる。これに対して、出口CO濃度が1%(DRY )のときのCO変成器の反応発熱量は 2.5×104 kJ/hであり、出口CO濃度が 10 ppm (DRY )のときのCO除去器の反応発熱量は、導入されるガスのO2 /CO量論比が 8.0のとき、 5.1×104 kJ/hである。経験的にこれらの反応器での反応発熱量の約 85 %がこれらの冷却機構を流れる冷却水に伝達され、約 15 %が外部に放熱されるとして、CO変成器およびCO除去器を流れる冷却水に与えられる熱を算出すると、CO除去器に導入されるガスのO2 /CO量論比が 8.0のとき、 6.4×104 kJ/hとなり、上記の改質用蒸気を得るに必要なエネルギーとほぼ同等になる。すなわち、上記の(1)のごとく構成した燃料電池発電装置においては、CO除去器に導入されるガスのO2 /CO量論比が少なくとも 8.0となるように、外部から空気を投入して運転すれば、所要の改質用蒸気量を得るに必要な熱量が冷却水に加わり安定した運転ができることとなる。仮に、O2 /CO量論比が 8.0を下回るとCO除去器の反応発熱量が低下するので、改質用蒸気量が不足して自立した運転の持続が困難となる。
【0014】
なお、上記には 50 kW固体高分子型燃料電池発電装置の場合について具体的数値を挙げて説明したが、装置の容量が変わっても、所要の改質用蒸気量、CO変成器の反応発熱量、CO変成器の反応発熱量等の諸熱量は、基本的に互いに比例して推移するものと見込まれるので、他の容量の固体高分子型燃料電池発電装置においても、CO除去器に導入されるガスのO2 /CO量論比が 8.0以上となるように設定することが必要条件と見なされる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の固体高分子型燃料電池発電装置の実施例の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー図である。本図において、図2の従来例のフロー図に示した構成部品と同一機能を有する構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【0016】
本実施例の特徴は、CO除去器4で得られた燃料ガスを冷却水で冷却して燃料電池本体5に供給する燃料ガス冷却器16が備えられていること、また、燃料ガス冷却器16で燃料ガスを冷却した冷却水が、CO変成器3およびCO除去器4の冷却機構へ送られ、CO変成器3およびCO除去器4を冷却したのち、改質用蒸気を供給する気水分離器7へと直接導入され、さらにこの気水分離器7のブロー水が、循環ポンプ18によって、燃料ガス冷却器16で燃料ガスを冷却した冷却水に混合されてCO変成器3およびCO除去器4の冷却機構へ循環供給されるよう構成されている点にある。
【0017】
なお、燃料ガス冷却器16に流す冷却水を補給するために、気水分離器7のブロー水の一部が、水処理装置17を経て純水タンク10へと戻されている。
本構成では、CO変成器3およびCO除去器4を冷却する冷却水が閉ループを循環して流れるので、熱効率が良く、かつ、CO変成器3およびCO除去器4の温度が安定性よく制御される。また、燃料ガス冷却器16を設置しているが、従来例のごとき高温の蒸気発生器を用いていないので相対的にコストが低減する。また、従来例のごとく蒸気発生器加熱用に高温の燃焼排ガスを供給する必要がなく、燃焼排ガス温度を約 100℃の低温に抑えることが可能となるので、改質器2の寿命が増大する。
【0018】
なお、本実施例では、CO変成器3およびCO除去器4を冷却する冷却水がCO変成器3とCO除去器4を直列に流れるよう構成されているが、CO変成器3とCO除去器4を並列に流れる構成としても、同様の効果が得られることは明らかである。
【0019】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、
(1)固体高分子型燃料電池発電装置を請求項1あるいは2に記載のごとく構成することとしたので、燃料ガス供給系に組み込まれるCO除去器およびCO変成器の温度が容易に制御され、かつ改質器の高温化が抑制されて長時間にわたり安定して運転でき、かつコストが低減される固体高分子型燃料電池発電装置が得られることとなった。
【0020】
(2)また、請求項3に記載のごとき運転方法を用いれば上記の固体高分子型燃料電池発電装置が適正かつ安定して運転できることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体高分子型燃料電池発電装置の実施例の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー図
【図2】従来の固体高分子型燃料電池発電装置の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー図
【符号の説明】
1 脱硫器
2 改質器
3 CO変成器
4 CO除去器
5 燃料電池本体
7 気水分離器
8 蒸気流量制御弁
9 エゼクタ
10 純水タンク
11 空気ブロア
12 燃料電池本体冷却水ポンプ
13 改質用水供給ポンプ
15 反応空気流量制御弁
16 燃料ガス冷却器
17 水処理装置
18 循環ポンプ
Claims (3)
- 燃料電池本体に燃料ガスを供給する系統が、原燃料に気水分離器より送られた改質用蒸気を混合して導入し、水素濃度の高いガスへと改質する改質器と、改質器で得られたガスを導入し、含まれるCOをH2Oと反応させてCO濃度の低いガスへと変成させるCO変成器と、CO変成器で得られたガスに外部より投入した空気を混合して導入し、O2 と反応させてCOを除去するCO除去器と、CO除去器で得られたガスを冷却水で冷却して燃料電池本体に供給する燃料ガスを得る燃料ガス冷却器を備えてなり、
かつ、燃料ガス冷却器で燃料ガスを冷却した前記の冷却水を、CO変成器およびCO除去器の冷却機構へ送ってCO変成器およびCO除去器の冷却に用い、さらにCO変成器およびCO除去器の冷却機構より排出された冷却水を、改質用蒸気を供給する前記の気水分離器へ導入するとともに、気水分離器のブロー水を、燃料ガス冷却器で燃料ガスを冷却した前記の冷却水に混合してCO変成器およびCO除去器の冷却機構へ循環供給するよう構成されている固体高分子型燃料電池発電装置。 - 請求項1に記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料ガス冷却器に供給される燃料ガス冷却用の前記の冷却水が、燃料電池本体の冷却機構に送られる電池冷却水循環系より分岐して導入され、かつ、前記の気水分離器のブロー水の一部が水処理装置を経て電池冷却水循環系へ補給されるよう構成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。
- 前記のCO変成器で得られたガスをCO除去器に導入する際、CO除去器に導入されるガスのO2 /CO量論比が8以上となるように外部より投入する空気量を制御して運転することを特徴とする請求項1または2に記載の固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。
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