JPH01186761A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、メタノールあるいは天然ガス等を原燃料と
する比較的小規模な燃料電池発電装置、ことに燃料電池
の使用済改質ガスを触媒燃焼器で燃焼させてその発生熱
を改質器の熱源とする装置の起動時予熱装置の改良に関
する。

〔従来の技術〕

第２図はこの発明の実施対象となる燃料電池発電装置に
おける従来のシステムフロー図であシ、１は燃料電池、
２は燃料電池１の燃料室に水素リッチな改質ガス１２を
供給する改質器、３および４は改質器２に原燃料１６お
よび水１４を供給する原燃料ポンプおよび水ポンプ、５
は酸化ガスとしての空気１５を供給する空気ブロワ、８
は空気１５ｔ−所定温度の加熱空気１５Ｈに変換して燃
料電池１の空気室に供給する空気予熱器、７は改質器２
にその熱源となる燃焼排ガス１７Ｅを供給する触媒燃焼
器であシ、燃焼排ガス１７Ｅは空気予熱器８の熱源とし
ても利用される。また、６は発電装置の起動時に改質器
２をその作動温度に予熱するために設けられた予熱用バ
ーナであ）、原燃料供給ライン３Ａから分岐し弁３Ｂを
有する分岐ラインからバーナに供給される原燃料１３ｔ
−１空気供給ライン５Ａから分岐し弁５Ｂを有する分岐
ラインからバーナに供給される空気１５の存在下で燃焼
させ、発生した高温の燃焼排ガス１６Ｅを改質器２に送
って改質器内に配された原料加熱管および改質触媒管の
熱源とするよう構成される。

上述のように構成された装置において、原燃料３がメタ
ノールである場合、メタノールを水蒸気改質するための
改質器２には銅系触媒を用いて改質温度２５０℃ないし
３５０℃を保持して行う必要があシ、原燃料３が天然ガ
スである場合にはニッケル糸触媒を用いて改質進度８０
０℃程度の高温を保持して行われる。したがって、改質
器２の改質温度を保持しかつ吸熱反応である水蒸気改質
の反応熱を供給する触媒燃焼器７は、燃料電池１で水素
が消費され水素濃度が低下し九使用済改質ガス１２Ｅ、
および酸素の一部が消費された使用済空気１５Ｅを酸化
触媒と接触燃焼させ、その燃焼排ガス１７Ｅを改質器２
に供給するよう構成され、かつ燃焼排ガス１７Ｅが空気
予熱器８を通って加熱空気１５）１を発生させた後、煙
突等の排気口９から外部に放出される。

ところで、装置をその停止状態から発電運転状態に向け
て起動しようとする場合、冷えた状態にある改質器２を
前記改質温度にまで予熱して改質ガスを発生する必要が
あるので、従来装置では予熱用バーナ６を設け、原燃料
１３の燃焼排ガス１６Ｅを触媒燃焼器７の燃焼排ガス１
７ｇの代＃）Ｋ。

改質器２に供給し、改質器内の改★触媒管を改質温度に
まで予熱するとともに、ポンプ３および４から送られ混
合された原料を改質器内の加熱管で加熱して改質温度の
混合ガスとし改質触媒管に供従来装置においては、起動
時予熱装置としての予熱用バーナ６が改質器全体を改質
温度にまで予熱するよう構成されており、かつ燃料電池
発電装置の起動時間の短縮が求められるために、予熱用
バーナ６は改質器２が定常運転維持に必要とする熱エネ
ルギーに比べて遥かに大きい燃焼容量を持つバーナが用
いられる。したがって、燃焼容量に見合う燃焼室の大き
さも大きくなシ、起動時にしか使用しない予熱用バーナ
６が大型化し、これが原因で燃料電池発電装置全体が大
型化するという欠点があった。また、定常運転時には触
媒燃焼器７で発生した高温の燃焼排ガス１７１の熱エネ
ルギーの一部が、その配管７Ａに連結された予熱用バー
ナー６側に逃げることによって熱損失が増大するという
問題が生ずる。

この発明の０市は、触媒燃焼器を起動時予熱装置の一部
に兼用することにより、予熱時間を延長上記ｕｔ解決す
るために、この発明によれば、メタノール等の原燃料を
改質器で水素リッチな改質ガスに改質して燃料電池に供
給し発電を行うとともに、燃料電池での使用済改質ガス
を触媒燃焼器に導いて燃焼させ、得られた高温の燃焼排
ガスを前記改質器の熱源とするものにおいて、前記原燃
料およびを気を加熱して加熱燃料ガスおよび加熱空気を
発生する加熱器と、この加熱器の発生加熱空気によプ予
熱され加熱燃料ガスを燃焼させる補助触媒燃焼器と、こ
の補助触媒燃焼器の燃焼排ガスにより予熱され前記加熱
燃料ガスを燃焼させる改質器の予熱器ｔ−兼ね友前記触
媒燃焼器とからなり、その発生燃焼排ガスにより前記改
質器を改質温度に予熱する起動時予熱装置を備えるもの
とする。

〔作用〕

上記手段において、発電装置の起動にあたシ、加熱器の
発生加熱空気によって補助触媒燃焼器の触媒をその作動
温度に予熱した後加熱器で加熱または気化した加熱燃料
ガスを燃焼させて高温の燃焼排ガスを発生させ、この燃
焼排ガスを主たる触媒燃焼器に供給してその触媒バーナ
を加熱燃料ガスの接触燃焼に必要な作動温度にまで予熱
するよう構成したことにより、触媒燃焼器に例えば複数
段設けられた触媒バーナの初段を補助触媒燃焼器の燃焼
排ガスによって予熱すれば、その後は例えば加熱燃料ガ
スの分岐系を介して直接触媒燃焼器に送られる加熱燃料
ガスの燃焼熱によって残る触媒バーナの予熱および燃焼
動作が可能になるので、触媒燃焼器を起動時予熱装置の
一部に兼用することができ、かつこの触媒燃焼器が発生
する燃焼排ガスによって改質器を改質温度に予熱するこ
とができる。したがりて、起動時予熱装置として加熱器
および小容量の補助触媒燃焼器を追加するととくよシ従
来の大容量かつ大型な予熱用バーナを用いることなく発
電装置を速やかに起動できる燃料電池発電装置が得られ
る。また、起動後は燃料電池の使用済改質ガスを燃料ガ
スとする触媒燃焼器本来の動作によって改質に必要な熱
エネルギーが改質器に供給される。なお、原燃料がメタ
ノールである場合、その気化に要する温度および気化し
たメタノールガスを接触燃焼させるに必要な触媒燃焼器
の作動温度は数十℃程度の低温ですむので、加熱器およ
び補助触媒燃焼器を著しく小容量化できる。

〔実施的〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例装置の構成を示すシステム７
０−図であシ、原燃料としてメタノールを用いた装置を
例にしてその構成および動作を説明する。なお従来装置
と同じ部分には同一参照符号を付すことＫよ）詳細な説
明を省略する。図において、メタノールポンプ３の吐出
側のメタノール供給ライン３Ａ、および空気プロア５吐
出側の空気供給ライン５Ａにはそれぞれ弁３Ｂおよび５
Ｂを有する分岐管を介して例えは電気加熱される加熱器
２１が設けられ、加熱空気１５Ｈおよびメタノールガス
１３Ｈをそれぞれ発生し、補助触媒燃焼器２２に供給す
る。補助触媒燃焼器２２は触媒燃焼器７と同様に１白金
系、パラジウム系等の触媒バーナを備え、加熱空気１５
Ｈおよびメタノールガス１３Ｈの混合ガスが触媒を接触
通過する際燃焼し、その除虫ずる高温の燃焼排ガス２２
Ｅが主たる触媒燃焼器２７に供給される。また、加熱器
２１のメタノールガス１３Ｈの出口側配管には三方切換
弁２３Ｂが設けられ、その一方が補助触媒燃焼器２２に
連通し、他方がメタノールガス分岐系２３を介して触媒
燃焼器２７に連通するよう構成される。したがって、主
たる触媒燃焼器２７は、従来の触媒燃焼器７と同様に燃
料電池１で水素の大部分が消費されて水素濃度が低下し
九使用揖改質ガス１２Ｅと、酸素の一部が消費された使
用済空気１５Ｅを供給する一対のノズルの他く補助触媒
燃焼器２２から供給される燃焼排ガス２２Ｅの供給ノズ
ルと、分岐系２３を介して供給されるメタノールガスＩ
ＸＨの供給ノズルとが追加され、合計４個のノズルをそ
の入口側に備えることになる。ｔた、触媒燃焼器２７に
は改質器２の改質温度に対応して複数段の触媒バーナ２
７Ａ。

２７Ｂ、２７Ｃ，２７Ｄ等が設けられる。

上述のように構成された実施例装置の起動から定常運転
に至る起動操作はつぎのように行われる。

先ず弁５Ｂを開き、空気プロア５から供給される空気１
５を加熱器２１で加熱し、加熱空気１５Ｈによって補助
触媒燃焼器２１内の図示しない触媒バーナをメタノール
ガス１３Ｈの燃焼が可能な作動温度に予熱する。触媒バ
ーナが作動温度に到達した時点で弁３Ｂを開き、メタノ
ールポンプ３から送られるメタノール１３を加熱器２１
で加熱して気化し、メタノールガス１５Ｈｔ切換４’Ｐ
２５Ｂを介して補助触媒燃焼器に供給することにより、
加熱空気１５Ｈと混合されたメタノールガス１３は触媒
バーナを接触通過する際燃焼し、高温の燃焼排ガス２２
Ｂが発生する。この燃焼排ガス２２Ｅは触媒燃焼器２７
に供給されて触媒バーナの予熱が行われるが、触媒バー
ナを複数段で構成しておくことにより、初段の触媒バー
ナ２７Ａがメタノールガスの燃焼開始可能な作動温１ｉ
Ｋ到達するまで予熱されれば、その後は燃焼排ガス２２
Ｅの助けを借夕ずにメタノールガスを直接燃焼させるこ
とが可能になる。そこで、三方切換弁２３Ｂを分岐系２
３側に切換えてメタノールガス１３Ｈｔ−触媒燃焼器２
７に直接供給すれば、補助触媒燃焼器２２を介して送ら
れる加熱空気・１５Ｈと混合したメタノールガス１３Ｈ
が触媒バーナ２７Ａと接触して燃焼して高温の燃焼ガス
が発生し、これが触媒バーナ２７Ｂ、２７Ｃ，２７Ｄを
順次予熱してそれぞれ燃焼を開始し、改質器２に高温の
燃焼排ガス２７１が供給され、改質器２内に配された図
示しない混合ガスの加熱管および改質触媒管の予熱が開
始される。また、燃焼排ガス２７Ｂが空気予熱器８およ
び排気口９を通って外部に排出されるので、空気１５を
空気予熱器８側にも供給するとともに、改質器２が改質
温度に到達した時点で水ポンプ４を駆動し、メタノール
１３と水１４とが改質に好適な比率で混合された混合液
を改質器２に供給することにより、改質器２における改
質反応が開始される。改質ガス１２および加熱空気１５
Ｈが燃料電池１に供給されることによって燃料！池１が
発電運転を開始すると、使用済改質ガス１２におよび使
用済空気１５１が触媒燃焼器２７に送られ、使用済改質
ガス１２Ｅ中の水素の燃焼が開始され、触媒改質器２７
は従来装置におけると同様に燃焼排ガス１７Ｅを発生し
て改質に必要な熱エネルギーを改質器２に供給する。そ
こで、弁３Ｂおよび５Ｂを閉じ、加熱器２１および補助
融媒燃焼器２２を停止させることによル、燃料電池発電
装置は定常運転を開始する。

上述の実施例装置において、原燃料としてメタノールを
用いた場合には、メタノールの沸点が６４．５６℃と低
く、シたがってこれを気化する加熱器２１を電熱式とし
て小型に形成できる。また、触媒燃焼器におけるメタノ
ールガスの燃焼開始可能温度（作動温度）が２０℃程度
と低く季節によっては補助触媒燃焼器を必要としない程
であシ、かつ寒冷地あるいは冬季など補助触媒燃焼器を
必要とする条件下においても、主たる触媒燃焼器の初段
の触媒バーナを予熱するに足る発熱量を補助触媒燃焼器
が持っていれば、分岐系を介して触媒燃焼器に送られる
メタノールガスが主たる触媒燃焼器で燃焼し、改質器を
予熱するという起動時予熱装置の主たる機能を既設の触
媒燃焼器が兼ねることになる。したがって、新たに追加
する加熱器および補助触媒燃焼器は従来の予熱用バーナ
に比べて著しく小容量かつ小形化され、起動時予熱装置
を含めた燃料電池発電装置全体を小形化することができ
る。また、触媒燃焼器と改質器とを結ぶ配管に従来連結
された予熱用バーナが排除され、運転時にこの配管を通
る高温の燃焼排ガス１７Ｈの熱が停止状態の予熱用バー
ナに逃げることがないので、°起動時予熱装置を設けた
ことによる熱損失が少く、発電装置全体としての発電効
率を高めることができる。壕らに、メタノールの水蒸気
改質を行う場合の改質温度は２５０℃ないし３５０排ガ
ス温度を有効に利用できる利点が得られる。

以上実施的装置を原燃料としてメタノールを用いた場合
を例に説明した。原燃料として天然ガスを用いた場合、
その燃焼開始に必要な触媒温度はメタンで約６８０℃、
プロパンで約２００℃とメタノールのそれに比べて著し
く高く、かつ改質温度も約８００℃の高温を必要とする
。しかしながら、補助触媒燃焼器および触媒燃焼器の触
媒バーナに高温熱安定性および着火性のよい触媒を用い
れば、実施例装置と同様な原理に基づく改質器の予熱が
可能である。なおこの場合、送水ポンプ４の出力側に水
気化器を設ける必要があることはいうまでもないことで
ある。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、定常運転時には燃料電池の使
用済改質ガス中の水素を燃焼させる触媒燃焼器の燃焼排
ガスを改質器の熱源とする燃料電池発電装置に、加熱器
および補助触媒燃焼器を迫力Ｅｌ、その燃焼排ガスによ
って触媒燃焼器の少くとも初段の触媒バーナを作動温度
に予熱し、その後は触媒燃焼器にメタノールガスなどの
加熱燃料ガスを分岐系を介して直接供給して燃焼させ、
その燃焼排ガスによって改質器を改質温度に達するまで
予熱するよう構成した。その結果、触媒燃焼器に起動時
予熱装置の主要機能である改質器の予熱機能を兼ねさせ
ることが可能とをシ、新九に追加する補助触媒燃焼器は
触媒燃焼器に複数設配された触媒バーナの初段の触媒バ
ーナをその作動温度に予熱する簡単な機能で済むので、
従来装置において改質器をその改質温度に予熱する予熱
用バーナからなる起動時予熱装置に比べて著しく小型化
することが可能とな夛、起動時予熱装置を含めた装置全
体が小型化され、かつ熱損失の少い燃料電池発電装置を
提供することができる。また、原燃料がメタノールであ
る場合には、沸点および触媒燃焼器の作動温度が低いの
で加熱器および補助触媒燃焼器を一層小型化できる利点
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例装置を示すシステム７０−図
、＠２図は従来装置を示すシステム７０−図である。 １・・・燃料電池、２・・・改質器、３，４．５・・・
ポンプ（プロワ）、７，２７・・・触媒燃焼器、２１・
・・加熱器、２２・・・補助触媒燃焼器、２６・・・燃
料ガス分岐系、１３・・・原燃料、１４・・・水、１５
・・・空気、１２・・・改質ガス、１２Ｅ・・・使用済
改質ガス、１５Ｅ・・・使用済空気、１５Ｈ・・・加熱
空気、１３Ｈ・・・加熱燃料ガス（メタノールガス）、
２２Ｅ、１７Ｅ。 ２７Ｅ・・・燃焼排ガス、２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ。 對ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）メタノール等の原燃料を改質器で水素リッチな改質
   ガスに改質して燃料電池に供給し発電を行うとともに、
   燃料電池での使用済改質ガスを触媒燃焼器に導いて燃焼
   させ、得られた高温の燃焼排ガスを前記改質器の熱源と
   するものにおいて、前記原燃料および空気を加熱して加
   熱燃料ガスおよび加熱空気を発生する加熱器と、この加
   熱器の発生加熱空気により予熱され加熱燃料ガスを燃焼
   させる補助触媒燃焼器と、この補助触媒燃焼器の燃焼排
   ガスにより予熱され前記加熱燃料ガスを燃焼させる改質
   器の予熱器を兼ねた前記触媒燃焼器とからなり、その発
   生燃焼排ガスにより前記改質器を改質温度に予熱する起
   動時予熱装置を備えたことを特徴とする燃料電池発電装
   置。 ２）特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、起動時
   予熱装置が補助触媒燃焼器をバイパスして触媒燃焼器に
   連通する加熱燃料ガスの分岐系を有することを特徴とす
   る燃料電池発電装置。 ３）特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、触媒燃
   焼器が触媒燃焼バーナ複数段を有することを特徴とする
   燃料電池発電装置。 ４）特許請求の範囲第１項、第２項または第３項のいず
   れかに記載のものにおいて、触媒燃焼器の初段の触媒燃
   焼バーナが補助触媒燃焼器の燃焼排ガスにより所定の作
   動温度に予熱された後、加熱燃料ガスの分岐系を介して
   供給される加熱燃料ガスの燃焼熱により触媒燃焼器およ
   び改質器全体が予熱されてなることを特徴とする燃料電
   池発電装置。