JPH06290801A

JPH06290801A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPH06290801A
Application number: JP5076947A
Authority: JP
Inventors: Munehiko Nanri; 旨彦南利; Kunihiro Doi; 邦宏土居; Kiyoshi Tsuru; 潔都留
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1994-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、転化触媒の減少が図れ、装置の
小型化と低コスト化を図ることができる燃料電池発電装
置を提供することを目的とする。【構成】改質器１出口の改質ガスを熱交換器３により
所定の中温度まで冷却後、中温転化触媒充填装置１０に
供給する。つぎにこの改質ガスを冷却手段１１によって
所定の低温度まで冷却後、低温転化触媒充填装置１２に
供給する。改質ガス中の一酸化炭素は中温転化触媒充填
装置１０の中温転化触媒Ａ２および低温転化触媒充填装
置１２の低温転化触媒Ａ１を介して、転化反応によって
減少される。中温転化触媒Ａ２は一酸化炭素が低濃度の
場合を除き、低温転化触媒Ａ１よりその活性が大きいた
め、一酸化炭素濃度の大きい改質ガスの上流側に中温転
化触媒Ａ２を使用した分、装置の転化触媒量を減少させ
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池を使用した
燃料電池発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は例えば「富士時報」Ｖｏｌ．６
３，Ｎｏ．１１（１９９０）の７２８（１２）頁に示さ
れた従来のオンサイト用燃料電池発電装置のプロセスフ
ローを示すフロー図である。

【０００３】図において、１は燃料とスチーム（Ｈ
₂Ｏ）とが混合された原燃料ガスを反応させることによ
り水素リッチな改質ガスを得る改質器、２は燃料ガスと
スチームとを混合して原燃料ガスを造るエジェクタ、３
は改質器１出口の高温の改質ガスと改質器１に供給され
る低温の原燃料ガスとの熱交換を行なう熱交換手段とし
ての原燃料ガス予熱器、４はエジェクタ２に供給される
低温の燃料と原燃料ガス予熱器３出口の改質ガスとの熱
交換を行ない、この改質ガスを所定の低温度（約２００
℃）まで冷却する改質ガス冷却器、５は改質ガス冷却器
４出口の改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を転化反応に
よって減少させる低温転化触媒Ａ１を有し、内部に加圧
冷却水が流される吸熱用の冷却管５ａを有した転化触媒
充填装置としてのＣＯ転化器である。この低温転化触媒
Ａ１は例えば銅系の転化触媒が用いられ、約１７５℃か
ら約２５０℃までの低温度の温度範囲で活性と耐熱性を
有している。

【０００４】６はＣＯ転化器５から供給される燃料ガス
としての改質ガスと空気供給装置（図示せず）から供給
される空気とを電解質を介して電気化学的に反応させて
直流電力を発生させる燃料電池である。この燃料電池６
には加圧冷却水が流される吸熱用の冷却管６ａが取り付
けられている。７はＣＯ転化器５や燃料電池６の冷却管
５ａ，６ａにて発生したスチームを水と分離するととも
に、原燃料ガス用スチームをエジェクタ２に供給する水
蒸気分離器、８は水蒸気分離器７内の加圧冷却水をＣＯ
転化器５および燃料電池６の冷却管５ａ，６ａに供給す
る循環ポンプである。

【０００５】つぎにこの燃料電池発電装置の動作につい
て説明する。改質ガス冷却器４を通って加熱された例え
ば天然ガスから構成される燃料と水蒸気分離器７から供
給されるスチームとはエジェクタ２により混合されるこ
とにより、原燃料ガスとして原燃料ガス予熱器３に供給
される。そして、この原燃料ガスは原燃料ガス予熱器３
により加熱された後、改質器１に供給され、この改質器
１によって改質ガスに改質される。この改質ガスは、そ
の中に燃料電池６の電極触媒の触媒毒となるＣＯを多く
含むため、ＣＯ転化器５に通され、そのＣＯ濃度の低減
が図られる。この場合、ＣＯ転化器５中の低温転化触媒
Ａ１は耐熱温度が低く熱劣化しやすいため、ＣＯ転化器
５は低温度の上限値（約２５０℃）内の温度で運転され
る。

【０００６】このために、改質器１を出た高温の改質ガ
スは原燃料ガス予熱器３および改質ガス冷却器４中を通
過して原燃料ガスおよび燃料と熱交換されて２００℃ま
で冷却された後、ＣＯ転化器５に供給される。そして、
ＣＯ転化器５内では、改質ガス中のＣＯとスチーム（Ｈ
₂Ｏ）とが下記のように転化反応（１）を生じて、ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂ ・・・・・・（１）水素（Ｈ₂）と二酸化炭素（ＣＯ₂）に変えられる。この
転化反応（１）は発熱反応であり、反応中にＣＯ転化器
５内の温度上昇を招くが、低温転化触媒Ａ１の熱劣化防
止と転化反応（１）の促進を図るため、転化反応によっ
て発生した熱は冷却管５ａ中を流れる加圧冷却水側に吸
収され、ＣＯ転化器５内の改質ガスの温度は２５０℃以
内に抑えられる。

【０００７】そして、ＣＯ転化器５によってＣＯ濃度が
所定値まで低減された改質ガスは燃料ガスとして燃料電
池６の燃料電極側に供給され、同じく空気がこの燃料電
池６の空気電極側に供給される。そして、この改質ガス
と空気とは電解質を介して電気化学的に反応し、この燃
料電池６に直流電力を発生させる。この場合、この電気
化学的反応中にも熱が発生するが、この熱は冷却管６ａ
中を流れる加圧冷却水側に吸収され、この燃料電池６は
所定温度に保持される。また、燃料電池６から排出され
た発電済みの改質ガス（オフガス）は改質器１のバーナ
に供給されて燃焼され、このとき発生した熱が改質器１
内の改質反応を促進させる。そして、オフガスの燃焼に
よって生じた燃焼排ガスは改質器１から外部に放出され
る。なお、ＣＯ転化器５および燃料電池６の冷却管５
ａ，６ａから排出された加圧冷却水は水蒸気分離器７に
よってその気水が分離される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の燃料電池発
電装置ではそのＣＯ転化器５に低温転化触媒Ａ１を充填
して使用しているが、この転化触媒は一般に低温域では
活性が小さいため、このＣＯ転化器５には多量の低温転
化触媒Ａ１が必要となり、ＣＯ転化器５が大型化し、装
置のコストアップの原因となっているという課題があっ
た。

【０００９】この発明は上記のような課題を解消するた
めになされたもので、改質ガス中の一酸化炭素を転化し
て減少させるための転化触媒量の減少が図れ、装置の小
型化とコストダウンを図ることができる燃料電池発電装
置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料電池
発電装置は、低温の原燃料ガスと改質器出口の高温の改
質ガスとを熱交換させ、この改質ガスの出口温度を所定
の中温度まで下げる熱交換手段と、この熱交換手段出口
の改質ガス中の一酸化炭素を転化反応によって減少させ
る中温転化触媒を有する中温転化触媒充填装置と、この
中温転化触媒充填装置出口の改質ガスの温度を所定の低
温度まで下げる冷却手段と、この冷却手段出口の改質ガ
ス中に残存する一酸化炭素を転化反応によって所定値ま
で減少させる低温転化触媒を有し、その出口改質ガスが
燃料ガスとして燃料電池側に供給される低温転化触媒充
填装置とを有することである。

【００１１】

【作用】改質器出口の高温の改質ガスは熱交換手段で低
温の原燃料ガスに熱を与えて所定の中温度まで冷却され
た後、中温転化触媒充填装置に供給される。そして、改
質ガスはこの中温転化触媒充填装置内の中温転化触媒を
介して、内部の一酸化炭素が転化反応によって減少され
る。つぎに、この改質ガスは冷却手段によって所定の低
温度まで冷却された後、低温転化触媒充填装置に供給さ
れる。そして、改質ガスはこの低温転化触媒充填装置内
の低温転化触媒を介して、残存する一酸化炭素が転化反
応によって所定値まで減少された後、燃料電池側に燃料
ガスとして供給される。

【００１２】ここで、一般に高温側で使用される中温転
化触媒は低温側で使用される低温転化触媒に比べその活
性が大きいため、中温転化触媒を使用した分だけ転化触
媒の量を減少させることができる。いっぽう、中温転化
触媒は、低温転化触媒に比べ、低濃度の一酸化炭素に対
してはその活性が小さいため、中温転化触媒のみを使用
する場合に比べ、中温転化触媒と低温転化触媒の両方を
使用する場合の方が転化触媒の量を減少させることがで
きる。したがって、中温転化触媒充填装置と低温転化触
媒充填装置とを設けて中温転化触媒と低温転化触媒とを
使用することにより、転化触媒の量を減少させることが
できる。

【００１３】

【実施例】以下にこの発明の実施例を図について説明す
る。実施例１．図１はこの発明の実施例１に係る燃料電池発
電装置のプロセスフローを示すフロー図である。なお、
図において、図８で示される燃料電池発電装置と同一ま
たは相当部分には同一符号を付してその説明を省略す
る。

【００１４】図において、１０は原燃料ガス予熱器３出
口の改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を転化反応によっ
て減少させる中温転化触媒Ａ２を有する中温転化触媒充
填装置としての中温ＣＯ転化器である。中温転化触媒Ａ
２は約２５０℃から約３５０℃までの中温度の温度範囲
で活性を有するＣｕＯーＺｎＯ系の転化触媒（東洋シー
シーアイ（株）製）であり、このために、原燃料ガス予
熱器３出口の改質ガスの温度も２５０〜２６０℃の中温
度に設定される。そして、この中温転化触媒Ａ２はＣＯ
が低濃度の場合を除き、一般に低温転化触媒Ａ１より活
性が大きいという性質を有している。

【００１５】１１は中温ＣＯ転化器１０出口の改質ガス
を蒸気分離器内の加圧冷却水によって所定の低温度まで
冷却する冷却手段としての冷却器である。この冷却器１
１への加圧冷却水は水蒸気分離器７から循環ポンプ８を
介して供給され、この冷却器１１により熱を与えられた
加圧冷却水は再び水蒸気分離器７に戻される。１２は冷
却器１１出口の改質ガス中の残存ＣＯを転化反応によっ
て減少させる低温転化触媒Ａ１を有し、内部に加圧冷却
水が流される吸熱用の冷却管１２ａを有した低温転化触
媒充填装置としての低温ＣＯ転化器である。

【００１６】つぎにこの実施例１による燃料電池発電装
置の動作について説明する。例えば天然ガスから構成さ
れる燃料と水蒸気分離器７から供給されるスチームとは
エジェクタ２により混合されることにより、原燃料ガス
として原燃料ガス予熱器３に供給される。そして、この
原燃料ガスは原燃料ガス予熱器３により加熱された後、
改質器１に供給され、この改質器１によって改質ガスに
改質される。改質器１から原燃料ガス予熱器３に供給さ
れた改質ガスは原燃料ガス予熱器３で原燃料ガスと熱交
換されてその出口温度が２５０〜２６０℃となるよう冷
却された後、中温ＣＯ転化器１０に供給される。そし
て、この改質ガスは中温ＣＯ転化器１０内で中温転化触
媒Ａ２を介して転化反応（１）によってそのＣＯ濃度が
数％の値となるまで低減される。この場合、中温ＣＯ転
化器１０内は断熱反応に近い状態でその温度が上昇し、
この中温ＣＯ転化器１０出口の改質ガスの温度は約３５
０℃まで加熱される。

【００１７】つぎにこの改質ガスは冷却器１１に供給さ
れて、この冷却器１１内でその熱を加圧冷却水に与えて
これを蒸発させ、約２００℃まで冷却された後、低温Ｃ
Ｏ転化器１２に供給される。そしてこの改質ガスは低温
ＣＯ転化器１２内で低温転化触媒Ａ１を介して転化反応
（１）によってそのＣＯ濃度が１％以下の値となるまで
低減される。この場合、低温ＣＯ転化器１２内で発生す
る熱は冷却管１２ａ中を流れる加圧冷却水側に吸収さ
れ、低温ＣＯ転化器１２出口の改質ガスの温度は２５０
℃以内に抑えられる。そして、低温ＣＯ転化器１２を出
た改質ガスは燃料ガスとして燃料電池６に供給される。
また、冷却器１１によってその一部が蒸発された加圧冷
却水は水蒸気分離器７に戻され、気水が分離される。

【００１８】ここで、中温転化触媒Ａ２は低温転化触媒
Ａ１に比べ、ＣＯが低濃度の場合を除きその活性が大き
いため、これをＣＯの濃度の高い改質ガスの上流側で使
用すれば、低温転化触媒Ａ１の場合より転化触媒の使用
量を減少させることができる。いっぽう、中温転化触媒
Ａ２はＣＯが低濃度の場合、低温転化触媒Ａ１に比べて
その活性が小さいため、ＣＯ濃度の低い改質ガスの下流
側では中温転化触媒Ａ２より低温転化触媒Ａ１を使用し
た方が転化触媒量を減少させることができる。したがっ
て、改質ガスの上流側に中温転化触媒Ａ２を有する中温
ＣＯ転化器１０を備え、改質ガスの下流側に低温転化触
媒Ａ１を有する低温ＣＯ転化器１２とを備えるこの実施
例の燃料電池発電装置では、低温転化触媒Ａ１のみを有
するＣＯ転化器５を備えた従来の燃料電池発電装置に比
べ、転化触媒の量を減少させることができ、装置の小型
化および低コスト化を達成できる。

【００１９】実施例２．図２はこの発明の実施例２に係
る燃料電池発電装置のプロセスフローを示すフロー図で
ある。図において、１３は中温ＣＯ転化器１０出口の改
質ガスに循環ポンプ８出口側の加圧冷却水を噴霧して、
この改質ガスを所定の低温度まで冷却する冷却手段とし
ての冷却水噴霧装置１３である。なお、他の構成は上記
実施例１の燃料電池発電装置と同一である。

【００２０】この実施例２による燃料電池発電装置にお
いても、中温転化触媒Ａ２を備えた中温ＣＯ転化器１０
と低温転化触媒Ａ１を備えた低温ＣＯ転化器１２とを有
しており、上記実施例１の燃料電池発電装置と同一の効
果を得ることができるとともに、冷却手段が冷却器１１
に代えて簡単な構造の冷却水噴霧装置１３となっている
分、さらなる装置の小型化、低コスト化を図ることがで
きる。

【００２１】実施例３．図３はこの発明の実施例３に係
る燃料電池発電装置のプロセスフローを示すフロー図で
ある。図において、１４は中温転化触媒充填装置と冷却
手段と低温転化触媒充填装置とを一体化したＣＯ転化器
である。すなわち、このＣＯ転化器１４はその上流側に
中温転化触媒Ａ２を有した中温転化触媒充填装置として
の中温ＣＯ転化部１４Ａを備え、その下流側に低温転化
触媒Ａ１と加圧冷却水が流される吸熱用の冷却管１４ａ
とを有した低温転化触媒充填装置としての低温ＣＯ転化
部１４Ｂを備えているとともに、その中間部にセラミッ
クボール１４ｂが充填され、このセラミックボール１４
ｂ間を流れる改質ガス中に加圧冷却水を噴霧して、加圧
冷却水の蒸発潜熱により改質ガスを所定の低温度まで冷
却する冷却手段としての冷却水噴霧部１４Ｃを備えてい
る。なお、他の構成は上記実施例１の燃料電池発電装置
と同一である。

【００２２】したがって、この実施例３による燃料電池
発電装置においても、上記実施例１の燃料電池発電装置
と同一の効果を得ることができる。この場合、この実施
例３の燃料電池発電装置では、中温転化触媒充填装置、
低温転化触媒充填装置および冷却手段が一体化されてい
るため、装置全体のさらなる小型化を図ることができ
る。なお、冷却水噴霧部１４Ｃ中にセラミックボール１
４ｂを有しているため、この冷却水噴霧部１４Ｃは冷却
効率のよい冷却手段となる。

【００２３】実施例４．図４はこの発明の実施例４に係
る燃料電池発電装置のプロセスフローを示すフロー図で
ある。図において、１５は中温転化触媒充填装置と冷却
手段と低温転化触媒充填装置とを一体化したＣＯ転化器
である。すなわち、このＣＯ転化器１５はその上流側に
中温転化触媒Ａ２を有した中温転化触媒充填装置として
の中温ＣＯ転化部１５Ａを備え、その下流側に低温転化
触媒Ａ１を有した低温転化触媒充填装置としての低温Ｃ
Ｏ転化部１５Ｂを備えているとともに、その中間部にセ
ラミックボール１５ｂが充填された冷却手段としての冷
却部１５Ｃを備えている。そして、低温ＣＯ転化部１５
Ｂと冷却部１５Ｃ内には加圧冷却水が流される吸熱用の
冷却管１５ａが連続して設けられており、この加圧水用
冷却管１５ａ内を流れる加圧冷却水により、冷却部１５
Ｃ内のセラミックボール１５ｂ間を流れる改質ガスが所
定の低温度まで冷却されるとともに、低温ＣＯ転化部１
５Ｂが冷却される。

【００２４】したがって、この実施例４による燃料電池
発電装置においても、上記実施例１の燃料電池発電装置
と同一の効果を得ることができる。この場合、この実施
例４の燃料電池発電装置では、中温転化触媒充填装置、
低温転化触媒充填装置および冷却手段が一体化されてい
るため、装置全体のさらなる小型化を図ることができ
る。なお、冷却部１５Ｃ中にセラミックボール１５ｂを
有しているため、この冷却部１５Ｃは冷却効率のよい冷
却手段となる。

【００２５】実施例５．図５はこの発明の実施例５に係
る燃料電池発電装置のプロセスフローを示すフロー図で
ある。この実施例５の燃料電池発電装置では、上記実施
例１の燃料電池発電装置の原燃料ガス予熱器３の改質ガ
ス側出口ヘッダと冷却器１１の改質ガス側入口ヘッダと
を一体化したヘッダ部１６内に中温転化触媒Ａ２を備え
て、このヘッダ部１６を中温転化触媒充填装置とした場
合である。なお、他の構成は上記実施例１の燃料電池発
電装置と同一である。

【００２６】したがって、この実施例５による燃料電池
発電装置においても、上記実施例１の燃料電池発電装置
と同一の効果を得ることができる。この場合、原燃料ガ
ス予熱器３と中温転化触媒充填装置と冷却器１１とが一
体化できるため装置のさらなる小型化を図ることができ
る。

【００２７】実施例６．図６はこの発明の実施例６に係
る燃料電池発電装置のプロセスフローを示すフロー図で
ある。この実施例６の燃料電池発電装置では、上記実施
例１の燃料電池発電装置の原燃料ガス予熱器３の改質ガ
ス側出口ヘッダ１７に中温転化触媒Ａ２を備えて、この
出口ヘッダ１７を中温転化触媒充填装置とした場合であ
る。なお、他の構成は上記実施例１の燃料電池発電装置
と同一である。

【００２８】したがって、この実施例６による燃料電池
発電装置においても、上記実施例１の燃料電池発電装置
と同一の効果を得ることができる。この場合、原燃料ガ
ス予熱器３の出口ヘッダ１７を中温転化触媒充填装置と
して利用しているため装置のさらなる小型化を図ること
ができる。

【００２９】実施例７．図７はこの発明の実施例７に係
る燃料電池発電装置のプロセスフローを示すフロー図で
ある。この実施例７の燃料電池発電装置では、上記実施
例１の燃料電池発電装置の冷却器１１の改質ガス側入口
ヘッダ１８に中温転化触媒Ａ２を備えて、この入口ヘッ
ダ１８を中温転化触媒充填装置としたもので、上記実施
例１と同一の効果を得ることができるとともに、冷却器
１１の入口ヘッダ１８を中温転化触媒充填装置として利
用しているため、装置の小型化を図ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなようにこの発明
によれば、低温の原燃料ガスと改質器出口の高温の改質
ガスとを熱交換させ、この改質ガスの出口温度を所定の
中温度まで下げる熱交換手段と、この熱交換手段出口の
改質ガス中の一酸化炭素を転化反応によって減少させる
中温転化触媒を有する中温転化触媒充填装置と、この中
温転化触媒充填装置出口の改質ガスの温度を所定の低温
度まで下げる冷却手段と、この冷却手段出口の改質ガス
中に残存する一酸化炭素を転化反応によって所定値まで
減少させる低温転化触媒を有し、その出口改質ガスが燃
料ガスとして燃料電池に供給される低温転化触媒充填装
置とを有するので、一酸化炭素の高濃度側に活性のよい
中温転化触媒を使用した分、転化触媒の減少が図れ、装
置の小型化と低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１に係る燃料電池発電装置の
プロセスフローを示すフロー図である。

【図２】この発明の実施例２に係る燃料電池発電装置の
プロセスフローを示すフロー図である。

【図３】この発明の実施例３に係る燃料電池発電装置の
プロセスフローを示すフロー図である。

【図４】この発明の実施例４に係る燃料電池発電装置の
プロセスフローを示すフロー図である。

【図５】この発明の実施例５に係る燃料電池発電装置の
プロセスフローを示すフロー図である。

【図６】この発明の実施例６に係る燃料電池発電装置の
プロセスフローを示すフロー図である。

【図７】この発明の実施例７に係る燃料電池発電装置の
プロセスフローを示すフロー図である。

【図８】従来の燃料電池発電装置のプロセスフローを示
すフロー図である。

【符号の説明】

１改質器３原燃料ガス予熱器（熱交換手段）６燃料電池１０中温ＣＯ転化器（中温転化触媒充填装置）１１冷却器（冷却手段）１２低温ＣＯ転化器（低温転化触媒充填装置）１３冷却水噴霧装置（冷却手段）１４Ａ中温ＣＯ転化部（中温転化触媒充填装置）１４Ｂ低温ＣＯ転化部（低温転化触媒充填装置）１４Ｃ冷却水噴霧部（冷却手段）１５Ａ中温ＣＯ転化部（中温転化触媒充填装置）１５Ｂ低温ＣＯ転化部（低温転化触媒充填装置）１５Ｃ冷却部（冷却手段）１６ヘッダ部（中温転化触媒充填装置）１７出口ヘッダ（中温転化触媒充填装置）１８入口ヘッダ（中温転化触媒充填装置）Ａ１低温転化触媒Ａ２中温転化触媒

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低温の原燃料ガスと改質器出口の高温の
改質ガスとを熱交換させ、この改質ガスの出口温度を所
定の中温度まで下げる熱交換手段と、この熱交換手段出
口の改質ガス中の一酸化炭素を転化反応によって減少さ
せる中温転化触媒を有する中温転化触媒充填装置と、こ
の中温転化触媒充填装置出口の改質ガスの温度を所定の
低温度まで下げる冷却手段と、この冷却手段出口の改質
ガス中に残存する一酸化炭素を転化反応によって所定値
まで減少させる低温転化触媒を有し、その出口改質ガス
が燃料ガスとして燃料電池側に供給される低温転化触媒
充填装置とを有することを特徴とする燃料電池発電装
置。