JPH0471169A - 燃料電池発電システムの起動方法 - 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、天然ガス等の炭化水素を原燃料とする燃料
改質装置と燃料電池を組み合わせた発電システムの起動
方法、ことに発電システム各部の起動昇温方法に関する
。

〔従来の技術〕

第６図は従来の起動方法を説明するための燃料電池発電
システムの概略構成図であり、ｇｉ！硫器２は例えば都
市ガス１３Ａ中に含まれるメルカプタン、ジメチルサル
ファイドなどの改質触媒毒を除去する水添脱Ｗｃ器であ
シ、原燃料ガスＦに水素を添加したガスを３００ないし
４００℃に加熱した触媒層を通すことにより脱硫ずみの
天然ガス２Ｆとして出力する。改質ａ３は脱硫ずみの天
然ガス２Ｆとスチームとの混合ガスを水素リッチな改質
ガスＲＦ’に改質する水蒸気改質器であり、ニッケル系
の改質触媒下で触媒温１！ｉ：を約７００℃から９００
℃に保つことにより、理想的には１式で示すメタン（Ｃ
Ｈ４）の分解反応が式の右向きに、また２式で示す一酸
化炭素（ＣＯ）の変成反応が式の左回きに行われ、全体
として３式で示す改質反応が行われる。

ＣＨ４＋　ＨｘＯ→ＣＯ　　＋　３Ｌ　　””・”１１
）ＣＯ　＋Ｈ，Ｏ−＋ＣＯ、十Ｈ，・、、、、、、、、
山（２）ＣＨ４＋　２Ｈ，Ｏ→ｃｏ、＋　４Ｈｚ　　　
・・・・・・・・・・・・（３）改質器３の出口側に得
られる改質ガスＲＦ’の組成は、原料の水蒸気比Ｓ／Ｃ
ｔ−３、２５、ガス圧を常圧とした場合、Ｅ［ｊ＝５０
．６％、ＣＯｘ６．５％、Ｃ０９，１％、Ｅｉ！０３２
．５％、ＣＨ４１，３％程度であり、このうちＣＯは燃
料電池１のｔ種触媒である白金に吸着されて水素との電
極反応を阻害する触媒毒となる。

変成器４は、２式のＣＯ変成反応を式の右向きに進める
ものであジ、変成触媒として鉄系＋銅系。

あるいは銅系触媒を用い、触媒ｍ度を１８０ないし２７
０℃に保つことによりＣＯ！１度が１％以下に低下した
燃料ガスＦＧｉ生成する。変成器４で生成した燃料ガス
は、これに含まれる水蒸気が図示しない純水回収装置に
よって分離され、乾いた燃料ガスＦ’Ｇが燃料電池１の
空気室を介して燃料電極に供給され、−万空気プロワ等
から空気室を介して反応空気が空気電極に送られること
により起電反応が行われる。発熱反応である起電反応に
よって燃料電池に発生する発電生成熱は冷却板５に冷却
水金流丁ことにより、例えばりん酸型燃料電池である場
合その運転温度は約１９０℃程度に保たれる。また、全
体として吸熱反応である改質器６のバーナ３Ａには、燃
料電池からオフ燃料ＯＦ、オフ空気ＯＡが供給され、使
い残しの水素やメタンが燃焼し、改質反応に必要な熱量
を供給するとともに、その不足分は助燃ガスおよび支燃
空気を外部から供給することにより補償される。

−万、発電運転中における温度制御は、主に改質器バー
ナの燃焼熱や燃料ｔｌｔｌｌの生成熱全熱交換器を用い
て排熱利用することによってまかなわれ、その不５ｃ分
は補助バーナの燃情熱により補償される。しかしをから
、発電システムを起動する場合には、常ｍまたは保１！
潟度から運転温度までなるべく短時間で昇温する起動昇
温工程が必要になる。

第４図は従来の起動昇温工程を示すシーケンス図である
。図において、発電システムの起動４湛は、先ず脱硫器
のヒータ２Ａ、に成器のヒータ４Ａに熱媒体を供給する
昇濡工椙と、改質器バーナ３Ａに助燃ガスおよび支燃空
気全供給して行う改質器３の助燃昇温と、燃料電池の冷
却板５に加熱し念冷却水５Ａを循環して行う燃料電池１
の冷却水昇温とを第１のステップとし、脱硫器、変成器
および改質器が所定温度に到達したこと′ｆ：ＡＮＤゲ
ートの機能を有する瀧度判断部７で検知し、改質器にス
チームを導入して行うスチーム昇温を第２のステップ、
所定の時間をおいて脱硫器を介して原燃料としての天然
ガスを改質ｉＫ供給して行う改質昇ａｔ第３のステップ
とし、さらに冷却水昇温と改質昇温によって燃料電池湛
度および改質触媒温度が所定の起動湛度釦到達したこと
を湛度判断部８で検知した時点で燃料電池に燃料ガスＦ
Ｇおよび反応空気）ｔ４人し、燃料Ｒ池の出力電力を候
々に増加させ、その発電生成熱によジ燃料電池ｔ４転龜
度にまで昇温する発電昇温を第４のステップとし、都合
四つの昇温工程により起動を終了し、発電運転に移行す
る起動シーケンスが知らｎている。

〔発明が解決しようとする問題〕

一般に、ｃｏ変成器に充填した銅系の触媒は、運転温度
である１８０〜２７０℃よりも高い濃度ではｖｓ倣粗粒
子シンタリングが進行し、その活性が低下する欠点？持
っている。このため、特に短時間のシステム起動をさせ
ようとする場合、触媒層に運転温度に比較してかなり高
温の部分を形成して昇温するか（例えばヒータ尋を直に
触媒層に挿入し几形武）、多量の熱媒体′ｔ−流通させ
るか（例えば１８０〜２７０℃に昇温したＮ：　金触媒
層に流通する形式）、の２つの方法が考えられる。

システムの用途としてオンサイト用等の場合には起動停
止頻度が高く、また多量のＨ８を消費することはできな
いため、ＣＯ変成器として前者を採用せざるをえない。

このため触媒のガ化を最小限にとどめつつ可能な範囲で
早く昇１できる１Ｍ当な１度範囲でヒータ等を制御して
昇温している。従って、システムの起動時間がＣＯｉ成
器の起動時間により制限されて長くなっている。

例えば第４図の起動昇温シーケンスにおわて、ｌＸ１の
ステップに要する時間は１．５時間、スチーム昇ｍＫ０
．１時間、改質昇温に１．０時間。

発電昇温に１．０時間２舎計３．６時間程度を要するの
が一般的であるが、ＣＯ変成器の昇温は第１、第２のス
テップの合計時間である１、６ｉ１間以内に変成触媒湯
度が少くとも１８０’Ｃ以上に昇濡していることが求め
られる。しかしながら、前′述のようにヒータを変成触
媒層に挿入して局部的に昇温する方式では、１．６時間
経通時点でも変成触媒層に低温部分が残ってお夕、次の
改質昇温工程で生成した改質ガスＲＦが変成触媒層の低
温部分を通ることによって触媒層に結露が生じ、触媒層
のガス透過性が阻害されるという問題があや、変成触媒
層が圧力破壊するなどの悪影響を及ぼしている。

この発明の目的は、変成触媒層の高１省化やガス透過性
の低下を防止するとともに、変成触媒層の昇ｍ時間によ
る拘束を排除して燃料電池の起動昇温時間ｔ−短縮する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する念めに、この発明によれば、天然ガ
ス等の原燃料中の硫黄分を取フ除く脱硫器、脱硫ずみの
原燃料とスチームとの混合ガスを触媒反応により水素リ
ッチな改質ガスに変換する改質器、およびこの改質ガス
中の一酸化炭素＃度金低減し燃料ガスとして燃料電池に
供給する変成器を含む燃料改質装置を備えた燃料電池発
電システムが前記変成器をバイパスする改質ガスの側路
を備え、起動指令に基づいて前記脱硫器および変成器の
昇温工程、前記改質器の助燃外工程、ならびに前記燃料
電池の冷却水昇温工程を開始し、前記脱硫器および改質
器がそれぞれ所定温変圧到達した時点で前記改質器に定
常より高い水蒸気比の前記１合ガスを供給して改質ガス
を生成し、この改質ガスの露点温度に燃料１を池塩度か
上昇し九時点でこの改質ガスを前記側路を介して燃料電
池に供給して全電昇ｍ全行い、燃料１１７１１１ｍ度お
よび変成器触媒温度が所定の運転温度に到達した時点で
前記側路を閉じ、前記変成器でＣＯ変成した燃料ガスを
燃料電池に供給する定常運転に切り換えることとする。

〔作用〕 この発明の構成において、第１のステップで脱硫器およ
び改質器が所定の温度に到達した時点で高い水蒸気比で
のスチーム昇温および改質昇ａｔ開始し、燃料電池ｍ度
が改質ガスの露点温度に到達した時点で側路を介して発
電外１Ｉｉｆ：開始し、変成触媒温度および燃料電池温
度が所定の運転温度に到達した時点で変成器を介して燃
料ガスを供給する通常運転に切り換えるよう構成したこ
とにょシ、変成器の昇温時間を発電昇温時間を含めた従
来の２倍近い時間をかけて高温劣化を生ずることなくゆ
っ〈シ昇温でき、したがって変成器を使用する通常運転
移行時には、＠露によるガスの流通障害を生ずることな
く発電運転が可能江なる。また、変成器をバイパスして
行う発電昇温においては、原料の水蒸気比を高めること
により、改質ガス中のＣＯ濃度を下げられるもので、燃
料電池の電極触媒層のＣ０Ｋ−よる被ｌ！を回避できる
とともに、燃料電池の発電外ｍを改質ガスの流通障害を
生ずることがない側路を介して燃料ガスを供給して行う
ことが可能になるので、全電昇ｍ時間を短縮することが
できる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて朕明する。

第１図はこの発明の実施例になる起動方法を説明するた
めの覚書電池発電システムの概略構成図、第２図は実施
例における起動昇温工程を示すシーケンス図である。第
１図において１発電システムのＣＯ変成器４の入口、出
口側には三方切換弁１２．１３が設けられ、側路１１全
介して改質器３で生成した改質ガスＲＦＩ変成器４をバ
イパスし、かつ図示しない純水回収装置で水分を除去し
た状欅で燃料電池１に供給できるよう構成される。

−万、起動昇温シーケンスとしては、ヒータ２Ａによる
脱硫器２の昇温、ヒータ４Ａによる変成４４の昇温、改
質器６の助慾昇温、および燃料電池１の冷却水外部（り
ん酸型燃料電池の場合１３０℃ないし１７０℃程度）が
第１のステップとして従来の方法と同様に開始される。

この実施例の場合、脱硫器温度および燃料電池温度が起
動温度に到達したことｔ温度判断部１７が検知すると、
改質器へのスチーム量全定常の２倍程度に増量して行う
スチーム昇温が開始され、続いて脱硫器を介して天然ガ
ス等の原燃料が供給されることにより、水蒸気比Ｓ／Ｃ
を定常運転（Ｓ／Ｃ＝＝３．２５）の２倍程度にして行
う改質昇温が開始される。この時生成した改質ガスは改
質器バーナに直接送られて改質触媒の昇ｍが７１ｒｉ速
され、かつ燃焼排ガスによる原料の昇温も加速される。

改質器の触媒温度がその運転温度である７００℃以上に
達し、燃料電池ｍ度もその起動温度である１３０℃以上
に通すると、温度判断部１８がこれを検知して三方切換
：５’Ｐ１２　、１３を駆動し、側路１１ｔ−介して改
質ガスＲＦを燃料ｉｔ池１に直接供給し、かつ反応空気
も供給されるので、出刃回路６ＶＣ流れる電流を徐々に
増しつつ発電生成熱により燃料電池温度をその運転ｍ度
に昇温する発電昇温が開始される。

なお、この時改質器は原料の水蒸気比が通常の２倍８度
に高められることによってＣＯ変成反応が活性化してお
り、改質ガス中のＣＯ＃度が変成器４を設けたと同じ種
度に低減され、したがって燃料電池触媒層のＣＯ被毒を
回避することができる。

一方ヒータ４Ａによる変成器４の昇温はこの間も高温部
全形成することなく２倍程度の時間をかけて緩やかに進
行しており、変成器および燃料電池の触媒温度がそれぞ
れ運転温度に到達すると、これを検知し＆１度＠所部１
９によって切換弁１２．１３が動作して変成器４に改質
ガスが導入されるとともに、温度ｇ断部１８に直列に設
けたＮＯＴゲート１８Ｅが４！！能してオフ状叢となシ
、側路１１側への改質ガスＲＦのバイパスｔｌｆｉ止す
るので、三方切換弁１３を介してＣＯ変成ずみの燃料ガ
スＦＧが水分を除去された状、轢で燃料電池１に導入さ
れ、発電システムの起動昇温工程は終了し、定常水蒸気
比での改質工程と、変成工穆を径た燃料ガスによる発電
運転に移行する。

なお、発電昇温工程においては、改質ガスの流通障害を
生じ難い側路１１を介して改質ガスが燃料電池に直接供
給できるので、発電昇温に要する時間を短縮することが
可能であシ、起動昇温工程のトータル時間も短ＭＩされ
る。また、変成器に改質ガス金導入する際、原料の水蒸
気比は定常運転時のそれに下がっており、かつ変成触媒
層のｍ度は定常運転温度に均等に昇温しているので、変
成触媒層が結露することはなく、したがって変成触媒層
の圧力破壊をほぼ完全に回避でき、かつ変成融媒層の高
温劣化も回避できる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、脱硫器、改質器、変成器、お
よび燃料ｔａを昇温する第１の２テツグで、脱硫器、改
質器が所定の塩度に昇温した時点で改質器にスチームお
よび原燃料を通常の２倍程度の水蒸気比で供給するスチ
ーム昇温２よび改質典温を行い、改質ガスの露点温度以
上に第１のステップにおける燃料電池ｍ度が昇温した時
点でバイパス通路を介して改質ガスを供給して発電昇温
ｔ−開始し、燃料電池がその運転温度に到達した時点で
変成器に改質ガスを初めて導入して発電運転に移行する
よう構成した。その結果、変成器の昇漏工橿を従来の２
着金の時間をかけてゆっくりと行うことができるので、
変成触媒層湯度？局部的高ｍｓ＊生ずることなく均一に
昇温でき、従来技術で問題となった変成触媒の高温劣化
や逆に低温部が結露して生ずる改質ガスの流通障害がほ
ぼ完全に回避され、したがって変成触媒の消耗量を軽減
し、かつ触媒層の圧力破壊を防止することかできる。

また、変成器をバイパスして燃料電池に改質ガスを供給
し、燃料電池の発電昇温を行うよう構成したことにより
、変成器のガス流通障害を回避して十分な量の改質ガ２
を供給できるので、燃料電池の発電昇温を円清く効率よ
く行うことが可能になフ、発電外部１梅に要する時間を
短縮することができる。なお、改・ズ昇ｍｔ−通常の２
倍８度の高い水蒸気比の原料を用いて行い、かつ発電外
傷もこの条件を保持して行うことにより、改質ガス中の
ｃｏ＃度を変成器を用いた場合と同じ程度に低減できる
ので、変成器をバイパスして行う発電昇温における電極
触媒層のＣＯ被毒をほぼ完全に回避することができる。

さらに、起動昇温工種を終了した時点では、脱硫器、改
質器ｔｔ成器および燃料電池それぞれの運転条件をすべ
て整った状態にできるので、発電運転に円滑に移行でき
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になる起動方法を説明するた
めの燃料電池発電システムの概略構成図、第２図は実施
例になる起動方法を示すシーケンス図、第３図は従来の
起動方法を説明するための燃料電池発電システムの概略
構成図、第４図は従来の起動方法を示すシーケンス図で
ある。 １・・・燃料電池％２・・・脱５Ｉ！を器、３・・・改
質器、３Ａ・・・バーナ、４・・・ｆａ！器、５・・・
冷却板、６・・・出刃回路、２Ａ、４Ａ・・・ヒータ、
５Ａ・・・冷却水、７，８．１７，７８．１９・・・ｍ
度判断部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）天然ガス等の原燃料中の硫黄分を取り除く脱硫器、
   脱硫ずみの原燃料とスチームとの混合ガスを触媒反応に
   より水素リッチな改質ガスに変換する改質器、およびこ
   の改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減し燃料ガスとして
   燃料電池に供給する変成器を含む燃料改質装置を備えた
   燃料電池発電システムが前記変成器をバイパスする改質
   ガスの側路を備え、起動指令に基づいて前記脱硫器およ
   び変成器の昇温工程、前記改質器の助燃昇温工程、なら
   びに前記燃料電池の冷却水昇温工程を開始し、前記脱硫
   器および改質器がそれぞれ所定温度に到達した時点で前
   記改質器に定常より高い水蒸気比の前記混合ガスを供給
   して改質ガスを生成し、この改質ガスの露点温度に燃料
   電池温度が上昇した時点でこの改質ガスを前記側路を介
   して燃料電池に供給して発電昇温を行い、燃料電池温度
   および変成器触媒温度が所定の運転温度に到達した時点
   で前記側路を閉じ、前記変成器でＣＯ変成した燃料ガス
   を燃料電池に供給する定常運転に切り換えることを特徴
   とする燃料電池発電システムの起動方法。