JPH01265461A

JPH01265461A - リン酸型燃料電池発電装置及びその運転方法

Info

Publication number: JPH01265461A
Application number: JP63091742A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Tsuru; 潔都留; Toshihiko Hirabayashi; 俊彦平林; Tatsuya Ikeda; 辰弥池田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-04-15
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1989-10-23
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: JP2634188B2

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〕本発明はリン酸型燃料電池発電装置及びその運転方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は例えば「リン酸型燃料亀池発鑞技術の将来展望
」第２報、３．２−９頁（通商産業省工業技術院発行Ｍ
ＩＴＩ−ＡＩＳＴ−ＭＩＬ−ＦＣ−０２）Ｋ示された従
来のリン酸型燃料電池発電装置のプロセスフローを示す
図であり、図において、（１）は燃料とスチームを反応
させて水素を得る改質器、（２）。

（３）はこの改質器（１）により改質されたガスＣ以下
、改質ガスという）と燃料との熱交換を行ない、燃料の
予熱を行なう熱交換器、（５）は改質ガス中の水素と酸
化性ガスとしての空気より直ｉｔ力を得るリン酸型の燃
料電池、（６）は改質器（１）へのスチーム環させるポ
ンプ、（８）は燃料中に含まれる硫黄を除去する脱硫器
、（９）は燃料電池（５）により発生した直流電力を交
流電力に変える直交変換装置、（１０）は改質器（１）
により改質された改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水
素と二酸化炭素に変える高温ＣＯ変成器、（１１）は、
さらに残った一酸化炭素を水素と二酸化炭素に変える低
温ＣＯ変成器、（１２）。

（１３）は高温ＣＯ変成器（１０）を出たガスを低温Ｃ
Ｏ変成器（１１）に適した温度まで下げる中間冷却器、
（１４）、　（１５’ｌ　、　（１６）は低温ＣＯ変成
器（１１）を出たガスを冷却する改質ガス冷却器である
。

高温ＣＯ変成器（１０）と低温ＣＯ変成器（１１）には
、反応を促進するためのＣＯ変成触媒、例えば鉄−クロ
ム系（高温用）、酸化亜鉛系（低温用）の触媒が保持さ
れている。さらにその器壁には、電気ヒータがそれぞれ
付はズある（何れも図示せず）。

次に動作について説明する。改質器（１）は、ＬＮＧな
どの炭化水素と水蒸気分離器（６）から供給される水蒸
気を原料として水素リッチなガスである改質ガスを作る
。この改質ガス中にはＣＯがかなり多く含まれており、
このＣＯは燃料電池（５）への触媒毒となる。そのため
ＣＯ濃度を低く（１％以以下塵）する必要がありＣＯ変
成器（Ｉｎ、（１１）が用いられる。ＣＯｉ成器（１０
）、（１１）内の反応はＣｏ　＋　Ｈ２Ｏ→　　ＣＯ２＋　Ｈ２（１）で表わさ
れる発熱反応であり、ＣＯ濃度を下げると同時にＨ２を
生成する効果もある。従来のＣＯ変成器（１０）、（１
１）はドラム形状の断熱形（し１］えば特開昭５９−１
２８２０１号公報）であったため、ＣＯ変成器内で発生
した熱は、反応ガス自体の温度上昇となる。低温ＣＯ変
成触媒の動作温度範囲が狭いため低温ＣＯ変成器内の発
熱量を押えるべく２段に分け、前段の高温ＣＯｆ成器（
１０）でＣＯ濃度を数％程度まで下げ、（１２）、（１
３）の中間冷却器で温度を下げた後、低温ＣＯ変成器（
１１）で更に低濃度へ下げる。燃料を予熱するための熱
交換器（２１、（３１は改質ガスを高温ＣＯ変成触媒の
動作温度まで下げるのに用いられる。低温Ｃ０適した温
度まで下げられた後燃料極（５ａ）へ供給される。燃料
電池（５）の反応熱は水蒸気分離器（６）よりの加圧水
により除去されこの熱の一部は、改質器（１）へ供給す
る水蒸気を加圧水から生成するために用いられる。

次に上記ＣＯ変成器の冷起動方法について説明する。

主としてドラム形状の高温ＣＯ変成器（１０）と低温Ｃ
Ｏ変成器（１１）の外壁に巻かれた電気ヒータからの熱
によって高温・低温ＣＯ変成触媒の昇温が行なわれる。

この際、機器外壁より触媒層中心部への熱伝達を良くす
るため触媒層内に窒素ガスを流している。高温・低温Ｃ
Ｏ変成器がスチーム凝縮温度以上になればスチームを流
すこともある。これらの窒素ガスやスチームは改質器に
より加熱されたものを導くので、これらのガスからも補
助的に触媒層へ熱が与えられる。以上のようにしてＣＯ
変成器（ｉｎ、（１１）の冷起動が行なわ〔発明が解決
しようとする場舎奇〕従来のリン酸型燃料電池発電装置は以上のように構成さ
れていたので、ＣＯ変成器として高温Ｃ０変成器、中間
冷却器、低温ＣＯ変成器、改質ガス冷却器の４つの構成
要素が必要であり、そのため装置が大形となり熱損失も
大きいという問題貞があった。また、運転方法として、
上記ＣＯ変成器を冷起動させるために電気ヒータの取付
が必要で電力消費量が大きくまた昇温時間も長くかかる
こと、さらにユーティリティとして窒素ガスを多量に使
用するなどの問題点があった。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされた
もので、ＣＯ変成器を一段にすることができ、従って機
器類を減らして装置をコンパクトにすることができ、さ
らに放熱量が小さく、熱効率の高いリン酸型燃料電池発
電装置を得ることを目的とする。さらに、電気ヒータの
取付や無駄な電力消費が少なく、短時間でＣｏ変成器を
冷起動この発明に係わるリン酸型燃料電池発電装置は水
蒸気分離器によって得られた加圧水を用いてＣｏ変成器
の反応熱を除去するように構成したものである。また、
この発明に係わるリン酸型燃料電池発電装置の運転方法
は、上記ＣＯｖ成器の冷起動に際し、水蒸気分離器内の
加圧水の顕熱によってＣｏ変成器に保持されたＣＯ変成
触媒を動作温度まで昇温させる過程を含むものである。

〔作　用〕

この発明におけるＣｏ変成器は、水蒸気分離器より導か
れた加圧水により、反応熱が除去され、水蒸気分離器よ
りの加圧水に近い温度で反応が進む。また、Ｃｏ変成器
の冷起動時には、上記加圧水によってＣＯ変成触媒の昇
温か行なわれ、電気ヒータなと他の熱源の使用を不要に
する。

〔実施例〕

以下この発明の一実施例を図について説明する。

第１図において、　（１）、（２）、（３１，（５）、
（６）、（力、（８）、（９）は上述した従来装置と同
一である。

（４）はＣｏ変成器であり、この実施例では第２図に示
すような、いわゆるシェル＆チューブ型熱交換器の形状
をしている。チューブ（４ａ）側には、例えば銅・亜鉛
系触媒などの低温ＣＯ変成触媒（４１）が充てんされて
おり、入口部は燃料ガス予熱器（３）の出口と、出口部
は燃料電池（５）の燃料極（５ａ）の入口部にそれぞれ
接続されている。シェル側（４ｂ）の入口部はポンプ（
力を介して水蒸気分離器（６）の加圧水部（６ａ）に接
続されており、出口部は水蒸気分離器（６）の蒸気部（
上部）に接続されている。

次に動作について説明する。

改質器（１）は、従来のものと同一である。改質器（１
）を出た水素リッチガス（改質ガス）は熱交換器（２）
　、　（３）により、Ｃｏ変成器（４）中の低温ＣＯ変
成触媒（４１）の動作温度（１８０°Ｃ〜２８０℃）ま
で降温される。Ｃｏ変成器（４）に入った改質ガスは従
来のものと同様に（１）式の反応が進み発熱する。水蒸
気分離器（６）の加圧水部（６ａ）よりポンプ（力によ
り循環される加圧水がＣｏ変成器（４）のシェル側（４
ｂ）へ導入され、チューブ（４ａ）内で発生した熱が除
去される。水蒸気分離器（６）の加圧水は、燃料電池用
冷却水や改質器へのスチーム供給源としての役割を持つ
ためその温度は通常１７０〜１８０℃程度であり、低温
ＣＯ変成触媒（４１）の動作温度の下限にほぼ等しく、
複雑な加圧水の流量制御を行なわなくても低温ＣＯ変成
触媒の温度コントロールは容易である。反応熱は加圧水
により水蒸気分離器（６）へ導入され、改質器（１）へ
の水蒸気の供給や給湯や吸収式冷凍器などに利用される
。Ｃｏ変成器（４）を出た改質ガスは、電池冷却水の温
度近くまで冷却されているため、さらに冷却する必要な
く燃料電池（５）の燃料極（５ａ）・へ供給でき、従来
型のように電池直前の改質ガス冷却器も不要である。

なお、上記Ｃｏ変成器（４）の改質ガス入口部の触媒層
部に充てん予熱層を設け（図示省略）、上記加圧水と充
分接触させるようにすれば、充てん予熱層部にて改質ガ
スの温度が調節される。即ち、燃料電池発電装置では負
荷の変動、改質ガス流量の変化中が大きい。この時、改
質器（１）や改質器（１）とＣｏ変成器（４）間の熱交
換器（２）　、　（３）の動作条件が変化し、Ｃｏ変成
器（４）入口での改質ガス温度が変化する。Ｃｏ変成器
（４）に上記のような充てん層予熱部を設けることによ
り、触媒層部の改質ガス温度がはｙ一定に保たれ、安定
した反応が達成される。

次に上記のように構成された実施例装置を運転する方法
の発明としてのＣｏ変成器の冷起動方法の実施例につい
て説明する。

冷状態では燃料電池（５）は、他の反応器、機器とは異
なり、通常１００℃以下程度の温度に保持する必要があ
る。これには水蒸気分離器（６）よりの冷却水ラインを
使用して保温するのが通常である。

このため電気ヒータを水蒸気分離器（６）内、もしくは
電池冷却水ラインに設置するか、ガス焚きボイラを水蒸
気分離器（６）内に設置するかにより水蒸気分離器（６
）内の水を加熱している。また電池の昇温・にも、上述
の装置が使用される。

ＣＯ変成器（４）の冷起動は、水蒸気分離器（６）より
ポンプ（７）により循環する加圧水を用いＣＯ変成器（
４）の触媒部（４１）を昇温する。これにより、特別な
電気ヒータが不要となる。また、チューブ（４ａ）の本
数を増やしたり、伝熱フィンを付けて伝熱面積を大きく
することにより、Ｎ２ガス使用量を低減させたり、冷起
動時間の短縮が可能となる。

上記実施例では水蒸気分離器（６）よりの加圧水は、燃
料電池（５）本体の冷却水循環ポンプ（７）の吐出側よ
りバイパスして用いたがもちろん、別途ポンプを設置し
ても良い。

また、ＣＯ変成器（４）はシェル＆チューブ型熱交換器
としたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例
えばうず巻型、プレート型、プレートフィン型等各種の
熱交換器が使用できる。

さらにシェル々チューブ型のチューブ側に触媒、シェル
側に加圧水を流す構成としたが、この逆も可能であるこ
とは勿論である。

この他種々の変更や変形が可能であることは言うまでも
ない。

〔発明の効果〕以上、説明したように、この発明によれば、水蒸気分離
器によって得られた加圧水を用いてＣＯ変成器の反応熱
を除去するように構成したので、従来の高温ＣＯ変成器
、中間冷却器、低温ＣＯ変成器、改質ガス冷却器の４機
器を熱交換器型ＣＯ変成器の１機器とすることもできる
。それに伴ない装置全体のコンパクト化と放熱量の減少
が可能となるなどの効果がある。また、この発明の運転
方法によれば、水蒸気分離器の加圧水の顕熱によってＣ
Ｏ変成器を動作温度まで昇温する過程を含むように構成
したので、冷起動を短時間内ででき、電力消費の少ない
運転方法を提供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例によるリン酸型燃料電池
発電装置の要部を示すフロー図、第２図は、上記実施例
に用いる熱交換型のＣＯ変成器を示す概念図であり、（
ａ）は正面断面図、（ｂ）は側面断面図である。第３図
は、従来のリン酸型燃料電池発電装置の要部を示すフロ
ー図である。図において、（１１は改質器、（４）はＣＯ変成器、（
５）はリン酸型燃料電池、（６）は水蒸気分離器である
。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示す
。第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃料を受け入れて改質ガスを得る改質器、この改
質器によつて得られた改質ガス中の一酸化炭素をＨ＿２
Ｏと反応させるＣＯ変成器、このＣＯ変成器を経た改質
ガスと酸化性ガスを作用させて電力を得る燃料電池、こ
の燃料電池を冷却するための加圧水を得ると共に、上記
改質器に必要な水蒸気を得る水蒸気分離器を備えたもの
において、上記ＣＯ変成器は、上記水蒸気分離器によつ
て得られた加圧水を用いて反応熱を除去するように構成
されたものであることを特徴とするリン酸型燃料電池発
電装置。
（２）燃料電池を冷却する加圧水と改質器に必要な水蒸
気とを得る水蒸気分離器、上記改質器によつて得られた
改質ガス中のＣＯをＨ＿２Ｏと反応させるＣＯ変成触媒
を保持したＣＯ変成器を備えたリン酸型燃料電池発電装
置の運転方法において、上記水蒸気分離器から導かれた
加圧水の顕熱によつて上記ＣＯ変成触媒を動作温度まで
昇温させることにより上記ＣＯ変成器を冷起動する過程
を含むことを特徴とするリン酸型燃料電池発電装置の運
転方法。