JPH03280360A - 燃料電池発電システム - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は新規な燃料電池発電システム、特に改質器内の
ガスの圧力を変化させる変圧装置を備えたことを特徴と
する燃料電池発電システムに関するものである。

〔従来の技術〕

よく知られているように、燃料電池においては水素と酸
素の電気化学反応により直接電気を取り出すことができ
るので、発電効率が高く、また発電時の排熱から熱エネ
ルギーも利用しうるので総合効率も高い。この他、環境
性も非常によいので、その発熱システムが各種開発され
ている。特に、携帯用電源など小型システムから、ビル
ディングへ適用される個別供給型や一定地域への電力を
供給するための都市分散型の燃料電池発電システムの開
発が企図され、速かな実用化が望まれている。

燃料電池発電システムは第１図にみられるように基本的
には、炭化水素系ガスたとえば天然ガスと水蒸気を触媒
作用下反応させて水素をつくる改質器１と、前記改質器
１でつくられる水素と別途に供給される空気中の酸素と
の触媒作用下での電気化学反応により直流電力を発生さ
せる燃料電池本体２と、この燃料電池本体で発生した直
流電力を交流電力に変換する直交変換装置３とからなる
。

特に前記燃料電池本体でリン酸水溶液を電解質として用
い水で冷却する水冷式のリン酸型燃料電池による代表的
なこの種の発電システムのひとつの例について見ると、
この外に改質器の燃焼排ガスで、新たに供給される天然
ガスの予熱と水蒸気の加熱を行なうための複合熱交換器
４と、天然ガス中の硫黄を除く脱硫作用と改質器からの
ガス中の有害成分ＣＯを低減させる作用を行なわせるた
めの低温燃料処理装置ｉ！ｉ’５と、前記燃料電池本体
で冷却するための冷却水から、改質に必要な水蒸気を分
離するための気水分離器６とが含まれている。

このような水冷式リン酸型燃料電池発電システムでは、
まず天然ガスが前記複合熱交換器４で予熱され、次いで
前記低温燃料処理装置５の内側で通常天然ガス中に付臭
剤として添加されている硫黄分を除去され、別に前記燃
料電池本体２で冷却水として用いられた水を前記気水分
離器６で分離してえられた水蒸気と混合されて改質器１
に送られる。

ここで天然ガスと水蒸気は約８００℃の高温で反応し、
えられた水素と一酸化炭素や二酸化炭素および余剰水蒸
気を含む改質ガスは前記複合熱交換器４で、新たに供給
される天然ガスと水蒸気と熱交換されて、燃料電池本体
２の動作温度（１５０〜２１０℃）の温度に冷却され、
ついで低温燃料処理装置５の外側の部分で電極触媒に有
害な一酸化炭素の量を低減させた後、前記燃料電池本体
２の燃料極７に送られる。

この燃料極７に送られた水素は燃料極７で水素イオンと
電子に変換される。この水素イオンは空気極９に到達し
、外部回路を通って空気極９へ供給される電子と空気極
りに別に送られた空気中の酸素と反応して水を作る。そ
の際、外部回路を通過した電子により直流電流として電
力が取り出され、直交変換装置３で交流電流に変換され
て需要家へ送られる。

前記燃料極７からでたガスには未反応の水素や炭化水素
が含まれているが、これら未反応ガスは改質器１に送ら
れ、改質器１の加熱用燃料とじて使用される。又発電し
た時発生する熱は冷却板１０により冷却され、冷却板１
０で除去された熱は一部回収されて熱供給装置１１へ送
られ冷暖房や給湯に用いられる。かくてこのシステムは
同時に電力、給湯、空調をまかなえる高効率エネルギー
システムということができる。

このような燃料電池発電システムを都市の電気事業用の
大規模システムとして用いるときは改質器その他上述し
た各種装置の占める面積又は容積が大きく、これをでき
る限り小さくしてコンパクト化することが要求され、特
に改質器のコンパクト化によるシステム又はプラントの
小型化、更に燃料電池の反応性の向上等が求められてい
るのが現状であった。

〔目的及び構成〕

本発明はかかる現状に鑑み、システム又はプラントの小
型化を図り、更に燃料電池の反応性の向上を図り得る新
しい燃料電池発電システムを提供することを目的とする
ものであり、本発明者によれば、かかる目的は改質器内
のガスの圧力を変化させる変圧装置を設け、前記改質器
を変圧式とすることによって達成させることが見出され
たのである。

よって本発明は、炭化水素系ガスと水蒸気を反応させて
水素をつくる改質器と、前記改質器でつくられる水素と
別途に供給される酸素との電気化学反応により直流電力
を発生させる燃料電池本体と、前記燃料電池本体で発生
した直流電力を交流電力に変換する直交変換装置を含む
燃料電池発電システムにおいて、前記改質器内のガスの
圧力を変化させる変圧装置を備えたことを特徴とする、
燃料電池発電システムを提供するものである。

〔作　用〕

高負荷時では変圧装置を作動させて高圧で運転させれば
改質器１内の触媒層における改質ガスの通過速度を向上
させることができ、ひいては改質器のコンパクト化を図
ることができ、また低負荷運転時は低圧で改質反応をお
こなわせ、低質σｆ時の改質温度低下のもとで高負荷時
と同程度の水素濃度の改質ガスを付加的な加熱を行うこ
となく可能にしてプラント総合効率を向上させる。

〔発明の詳細な説明〕

上述のところから明らかなように、本発明に係るシステ
ムでは、改質器内の圧力を変化させる変圧装置を設ける
のであり、その他は構造も作用も従来のシステムと同様
である。

本発明のシステムではこの変圧装置は、改質器内の改質
圧力を変化させるために必要な圧縮機と圧力制御弁から
構成されるのであり、これを夫々原料炭化水素ガス供給
系統と反応空気供給系統に設けるものとする。反応空気
供給系統では燃料電池反応空気と改質器燃焼空気が供給
される。

かかる変圧装置を第１図にて示せば、１２と１３とが夫
々原料炭化水素ガス０（給系統における圧縮器と圧力制
御弁であり、１４と１５とが夫々反応空気供給系統にお
ける圧縮器と圧力制御弁である。即ち、本発明では上記
変圧装置は、改質器に原料炭化水素ガスを供給する原料
ガス供給配管系における圧縮器１２と圧力制御弁１３か
らなる原料系変圧装置と、燃料電池反応空気および改質
器燃料空気を供給する反応空気供給系における圧縮器１
４と圧力制御弁１５からなる空気系変圧装置とからなる
。゛原料系圧力制御弁１３と空気系圧力制御弁１５は電
気回路からなる制御装置により改質器の運転圧力に見合
った圧力設定値へ制御される。

このようにして原料系における変圧装置と空気系におけ
る変圧装置により改質器内の原料炭化水素ガスと燃焼ガ
スの圧力を制御して改質反応を制御するのである。いわ
ば従来の燃料電池発電システムにおける改質器を変圧式
にするのであって、改質ガス流量に応じて改質器１内の
反応ガス圧力を変化させ又この改質ガスを加熱する側の
燃焼ガス圧力を変化させ、水蒸気改質反応の制御を行な
いながら運転しようとするものである。

以下本発明について更に詳しく説明する。

（基本反応式） 本発明において変圧式とする燃料電池改質器は、炭化水
素系原料と水蒸気の混合ガスを反応温度にある触媒層に
通過させることにより水素と二酸化炭素を主成分とする
燃料電池用燃料を製造するための装置である。ここで起
こる反応は水蒸気改質反応とシフト反応と呼ばれる二つ
であり、メタンを原料とした場合を考えると下記の反応
式となる。

水蒸気改質反応■　ＣＨ４＋Ｈ２〇− ＣＯ＋３Ｈ２−４９，３Ｋｃａｌ／Ｋａ＋ｏｌシフト反
応＠　ＣＯ＋Ｈ２０→ ＣＯ２＋　Ｈ２＋　９−８Ｋｃａｌ／Ｋａｏｌ上記反応
■は吸熱反応であり８００℃前後の温度で反応し、上記
反応■では発熱反応であり、２５０〜４００℃前後の温
度で反応が進む。

（平衡組成） 上記のような反応が十分な時間を以て行なわれると反応
ガスと生成ガスは平衡状態となり、圧力又は温度条件が
決まれば組成が決定され、これを平衡組成と呼ぶ。今変
圧装置を作動させて改質器を１気圧で運転した場合と１
０気圧で運転させたときの平衡組成を温度の関数として
示すと第２図のとおりである。この図においては１気圧
（低圧）の場合と１０気圧（高圧）で運転した場合を比
較すれば明らかなように、−船釣に高圧力の場合は原料
メタンが多く存在し、従って燃料電池本体２に供給され
る燃料中の水素分圧も少なくなっている。

初期のメタンのモル数から改質後のメタンのモル数の差
をとり初期のメタンのモル数で除したものをメタン転換
率とよび、改質反応の性能をあられす瓜として使用され
ている。燃料電池からみればメタン転換率は高い程燃料
極における水素分圧が高くなることを意味するので、電
極反応上非常に好ましい。高圧運転のときは原料メタン
が多く存在し従ってメタン転換率は低いが、改質器の圧
力を調整して低圧運転すると存在するメタンの量は減り
メタン転換率を向上させ、反応性を鳥めることかできる
のである。

（反応速度） 反応速度も改質器の圧力を変化させることによって調整
することができる。即ち圧力を大にすると、反応速度を
大にすることができる。今反応温度を７５０℃、燃料中
の単位炭素モル数に対する水蒸気モル数の比Ｓ／Ｃ比を
４として種々の圧力、即ち１気圧、５気圧、１０気圧で
改質器で水蒸気改質反応を実施したときのメタン転換率
の時間的変化を求めてグラフに示したのは第３図のとお
りである。

この図から明らかなように高圧なほどメタン転換率は低
いが平衡組成に達する時間は短くなり、一方低圧なほど
平衡組成に達する時間は長くなるが、高いメタン転換率
を得ることができる。この平衡組成に達するまでの時間
を化学特性時間と呼び、反応性を表す指標の一つとする
。

尚このように１気圧、５気圧、１０気圧で反応させたと
きの改質ガスの平衡組成（容量％）とメ又圧力を一定に
し、温度を変化させたときも略同様な傾向を示した。今
上記Ｓ／Ｃ比を４、圧力を１気圧に固定し温度を６５０
℃、７５０℃、８５０℃に変化させたときのメタン転換
率の時間的変化を求めたところ第４図の如きグラフかえ
られた。温度が高いほど平衡組成に達する時間が短くな
り、低くなるほど高い平衡組成かえられることが明らか
である。

上記のように反応時の圧力、温度によって平衡組成に達
する時間が変化し、これが反応性を表す指標となる。実
際のプラントにおける触媒層通過時間或は空間速度（単
位時間あたりに触媒層体積の何倍のガス量が処理できる
との指標）は触媒層への伝達速度や上記化学特性時間に
大きく依存する。改質器の性能からみれば、空間速度は
大きい方が良好であり、これは化学特性時間を短く、即
ち高圧又は高温条件にすることによって触媒量あたりの
処理量が増大することを意味している。

（燃料電池発電プラント） 燃料電池はその作動圧力が高い程効率が高くなる。しか
し、高圧力の高性能プラントでは■燃料電池の電池電圧
−電流密度特性の関係から、低負荷時には電池電圧が上
昇し、電極の触媒のシンタリングを引きおこす限界電池
電圧を越えてしまうため最低負荷の制約が生じたり、■
低負荷時にターボコンプレッサの損失増加により燃料電
池の発電効率が低下してしまう。このため低負荷時には
運転圧力を下げて運転を行ない、電池電圧の増加を抑え
て最低負荷を低下させることができるとともにターボコ
ンプレッサの仕事を軽減することにより損失を低下させ
ることができる。このように変圧装置を設けて変圧運転
方式の燃料電池とするときは性能を向上させて非常に有
利な運転方式とすることができる。第５図に燃料電池単
セルの電圧−電流特性が圧力に低存して変化することを
示すグラフを挙げる。

ここに本発明に従ってシステムに変圧装置を設けて改質
器内のガスの圧力を変化させたときの改質反応挙動をま
とめると以下のようになる。

メタン　　化学時　　空　間 転換率　　性時間　　速　度 低圧運転　高　い　　長　い　　小さい高圧運転　低　
い　　短　い　　大きい（改質器の放熱損失） 改質器の入熱量に対する放熱損失の割合は低負荷時に増
加し、これに伴う改質反応温度低下により平衡メタン転
換率および平衡水素濃度が低下するとともに、反応速度
も低下するため生成される改質ガスの水素濃度は低下す
る。このため一定圧力運転のプラントでは付加的な加熱
を行い反応温度を改善する方策が考えられるが、これは
プラント総合効率の観点から望ましくない。変圧運転プ
ラントでは低負荷時で低圧運転することにより、平衡水
素濃度を増加させることにより高負荷時の改質ガスと同
程度の改質ガスを供給することができ、これにより付加
的な加熱が不要となりプラント総合効率の改善を行うこ
とができる。

〔効　果〕

このように本発明によれば、高負荷運転時は高圧で改質
反応を行なわせて、大きい空間速度をとりガス処理能力
を高めることができ、これにより低圧で改質させたとき
よりも触媒量が少くて済み改質器自体もコンパクト化し
、ひいてはシステム又はプラントもコンパクト化させる
ことができる。

一方、低負荷運転時は低圧で改質反応をおこなわせ、低
負荷時の改質温度低下のもとでも高負荷時と同程度の水
素濃度の改質ガスを付加的な加熱を行うことなく可能に
してプラント総合効率を向上させる。

【図面の簡単な説明】

図面第１図は本発明に係る燃料電池発電システムのフロ
ーシート、第２図は改質ガスの甲高組成と温度の関係を
示す半対数グラフ、第３図は一定温度の場合の反応ガス
圧力の変化によるメタン転換率の時間的変化を示すグラ
フ、第４図は一定圧力の場合の反応ガス温度の変化によ
るメタン転換率の時間的変化を示すグラフ、第５図は燃
料電池単セルの電圧−電流特性の圧力依存性を示すグラ
フである。 １・・・改質器、２・・・燃料電池本体、３・・・直交
変換装置、４・・・複合熱交換器、５・・・低温燃料処
理装置、６・・・気水分離器、７・・・燃料極、８・・
・電解質、９・・・空気極、１０・・・冷却板、１１・
・・熱供給装置、１２・・・原料系圧縮器、１３・・・
原料系圧力制御弁、１４・・・空気系圧縮器、１５・・
・空気系圧力制御弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炭化水素系ガスと水蒸気を反応させて水素をつくる改質
   器と、前記改質器でつくられる水素と別途に供給される
   酸素との電気化学反応により直流電力を発生させる燃料
   電池本体と、前記燃料電池本体で発生した直流電力を交
   流電力に変換する直交変換装置を含む燃料電池発電シス
   テムにおいて、前記改質器内のガスの圧力を変化させる
   変圧装置を備えたことを特徴とする、燃料電池発電シス
   テム。