JPH0822831A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料電池発電装置において、改質ガスの一部
をリサイクルするために必要なガスの昇圧手段が発電効
率を低下させないこと。 【構成】 所定温度に予熱された原燃料ガスを脱硫する
脱硫器１と、脱硫処理した脱硫ガスを加熱処理して改質
する改質器４と、改質処理をした改質ガスを変成する変
成器６と、変成処理した変成ガスを燃料ガスとして発電
する燃料電池７と、燃料電池７の冷却系を形成し燃料電
池７の発熱によりスチームを発生する水蒸気分離器３
と、変成処理した変成ガスの一部を昇圧して脱硫用リサ
イクルガスとして原燃料ガスとともに脱硫器１の上流に
供給する脱硫用リサイクルガス路１１とを備えた燃料電
池発電装置において、脱硫用リサイクルガスの昇圧は脱
硫用リサイクルガス路１１にスチームエゼクタ１０を設
けるとともに水蒸気分離器１３のスチームをスチームエ
ゼクタ１０に供給してなるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池発電装置に関
し、特に脱硫器にリサイクルされる改質ガスに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図６は例えば、昭和６２年９月３０日、
サイエンスフォーラム社発行の燃料電池設計技術（笛木
和雄，高橋正雄監修）のＰ２７５に記載されているリン
酸型燃料電池発電装置のフロー図である。図において、
１は都市ガスや天然ガスなどの原燃料中の硫黄分を水素
を用いて除去する脱硫器、２は原燃料を動作温度まで昇
温する原燃料予熱器、３はスチームを供給する水蒸気分
離器、４は原燃料とスチームの混合流体を反応させて水
素を含む改質ガスを生成する改質器、５は原燃料とスチ
ームの混合流体を予熱する原料予熱器、６は改質器４を
出た改質ガス中の一酸化炭素を水素に変換するＣＯ変成
器、７はＣＯ変成器６を出た改質ガス中の水素と空気中
の酸素を反応させて発電する燃料電池で、改質ガスを供
給する燃料極７ａ，空気を供給する空気極７ｂ，発電時
の発熱を逃がす冷却器７ｃで構成される。８はＣＯ変成
器６を出た改質ガスの一部をリサイクル路９より脱硫器
１にリサイクルできるように昇圧して脱硫器１上流に供
給する昇圧ブロアである。

【０００３】次に動作について説明する。まず発電時の
動作について説明する。都市ガスや天然ガスからなる原
燃料は、原燃料予熱器２によって水素添加（以下水添と
略す）され脱硫反応に適した温度（３００℃〜４００
℃）まで昇温された後、脱硫器１に供給される。脱硫器
１は、少なくとも水添反応型と吸着型の２種類の触媒か
ら構成されており、成分中の硫黄分を除去する。脱硫さ
れた原燃料は、水蒸気分離器３より供給されるスチーム
と混合されて、原料予熱器５で改質反応に適した温度ま
で昇温された後、改質器４に供給される。改質器４で改
質反応により生成された改質ガスは、原料予熱器５と原
燃料予熱器２で冷却された後、ＣＯ変成器６に供給され
る。ＣＯ変成器６で改質ガス中の一酸化炭素が添加され
る水蒸気と反応して二酸化炭素と水素に転換された後、
燃料電池７の燃料極７ａに供給され、ここで空気極７ｂ
に供給された空気中の酸素と反応して発電が起こる。Ｃ
Ｏ変成器６を出た改質ガスの一部は、昇圧ブロア８によ
り昇圧されて脱硫器１の上流にリサイクルされる。脱硫
器１の水添反応に必要な水素は、原燃料の５％程度の水
素濃度とするのが一般的であり、それに近い濃度となる
ようにリサイクルする流量が設定される。

【０００４】次に起動時の動作について説明する。脱硫
器１の触媒を触媒の動作温度（３００℃〜４００℃）ま
で昇温する必要がある。そのために改質器４に都市ガス
などの燃料を供給して燃焼させ、その熱を原燃料予熱器
２により昇温媒体の不活性ガスここでは窒素で回収して
脱硫器１に供給する。脱硫器１を電気ヒータで昇温する
場合もあるが、この場合も脱硫器１の触媒を偏り無く加
熱するために窒素が昇温媒体として使用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池発電装
置は以上のように構成されていたので、発電時、脱硫器
１のために改質ガスの一部をリサイクルするために昇圧
ブロア８が必要で、発電中連続して昇圧ブロア８を動作
させる。このため、補機動力が増し、発電効率が下がる
という問題点があった。また、脱硫器１は、触媒の動作
条件が３００℃〜４００℃と狭いため、広い負荷範囲
（例えば２５％〜１００％）の場合この条件を外れると
いう場合があった。また、起動時においては、触媒の動
作温度まで脱硫器１を昇温するために昇温媒体として不
活性ガスである窒素が多量に必要であるという問題点も
あった。

【０００６】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、改質ガスの一部のリサイクルが発
電効率に影響を与えないこと、脱硫器の温度のコントロ
ールと起動時の昇温媒体である不活性ガスの使用量を削
減することがそれぞれ可能な燃料電池発電装置を得るこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１にお
ける燃料電池発電装置は、所定温度に予熱された原燃料
ガスを脱硫する脱硫器と、脱硫器により脱硫処理した脱
硫ガスを加熱処理して改質する改質器と、改質器により
改質処理をした改質ガスを変成する変成器と、変成器に
より変成処理した変成ガスを燃料ガスとして発電する燃
料電池と、燃料電池の冷却系を形成し燃料電池の発熱に
よりスチームを発生する水蒸気分離器と、変成器により
変成処理した変成ガスの一部を昇圧して脱硫用リサイク
ルガスとして原燃料ガスとともに脱硫器の上流に供給す
る脱硫用リサイクルガス路とを備えた燃料電池発電装置
において、脱硫用リサイクルガスの昇圧は脱硫用リサイ
クルガス路にスチームエゼクタを設けるとともに水蒸気
分離器のスチームをスチームエゼクタに供給してなるよ
うにしたものである。

【０００８】また、この発明の請求項２における燃料電
池発電装置は、請求項１において、スチームエゼクタと
脱硫器上流との間に脱硫用リサイクルガスとスチームと
の混合流体中の水分を除去できる冷却器と気水分離器を
設けたものである。

【０００９】また、この発明の請求項３における燃料電
池発電装置は、請求項２において、脱硫器入口のガス温
度を検知する手段と、脱硫用リサイクルガスの流量調整
手段とを備え、ガス温度が一定範囲内に収まるよう流量
調整手段で脱硫用リサイクルガス流量を調整したもので
ある。

【００１０】また、この発明の請求項４における燃料電
池発電装置は、請求項１において、脱硫器の上流に原燃
料ガスが予熱されないバイパス回路を設けるとともに脱
硫器入口のガス温度を検知する手段を備え、ガス温度が
一定範囲内に収まるようにバイパス回路を流れる原燃料
ガスの流量を調整したものである。

【００１１】また、この発明の請求項５における燃料電
池発電装置は、所定温度に予熱された原燃料ガスを脱硫
する脱硫器と、脱硫器により脱硫処理した脱硫ガスを加
熱処理して改質する改質器と、改質器により改質処理を
した改質ガスを変成する変成器と、変成器により変成処
理した変成ガスを燃料ガスとして発電する燃料電池と、
燃料電池の冷却系を形成し燃料電池の発熱によりスチー
ムを発生する水蒸気分離器とを備え起動時の昇温媒体と
して不活性ガスを供給するようにして構成された燃料電
池発電装置において、変成器と脱硫器間に上流よりスチ
ームエゼクタ、冷却器および気水分離器を設け、起動時
に水蒸気分離器から供給されるスチームをスチームエゼ
クタに供給し、変成器下流の不活性ガスの一部を昇圧し
た後、冷却器と気水分離器でスチームと不活性ガスの混
合流体の水分を除去し、脱硫器上流にリサイクルするよ
うにしたものである。

【００１２】

【作用】この発明における燃料電池発電装置は、スチー
ムエゼクタにより変成器下流の改質ガスの一部を昇圧
し、脱硫器上流にリサイクルできるため、昇圧用ブロア
が不要となり発電効率の向上を可能とする。

【００１３】また、冷却器と気水分離器が脱硫器上流に
リサイクルする改質ガスとスチームの混合流体中の水分
を除去できるためリサイクルする改質ガス流量が多い場
合でも脱硫器が効率良く作用する。

【００１４】また、脱硫器入口のガス温度を検知する手
段で測定した温度により、リサイクルする改質ガスの流
量が調整され脱硫器入口のガス温度を一定範囲に収める
ことができる。

【００１５】また、脱硫器入口のガス温度を検知する手
段で測定した温度により、原燃料がバイパス回路を流れ
る流量が調整され脱硫器入口のガス温度を一定範囲に収
めることができる。

【００１６】また、起動時にスチームエゼクタにより変
成器下流の不活性ガスを昇圧し、さらにその水分を除去
してから脱硫器にリサイクルするため昇温媒体としての
不活性ガスが有効にリサイクルできる。

【００１７】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の実施例１を図について説明
する。図１はこの発明の実施例１におけるリン酸型燃料
電池発電装置のフロー図である。図において、１〜７は
従来と同様でありその説明は省略する。１０はＣＯ変成
器６を出た改質ガスの一部を脱硫器１にリサイクルする
リサイクル路１１に設けられたスチームエゼクタで、水
蒸気分離器３と連通しスチームが供給されている。

【００１８】次に動作について説明する。原燃料がスチ
ームと混合され、改質器４やＣＯ変成器６で反応ガスと
なり、燃料極７ａに供給されて燃料電池７において発電
する作用は従来例と同じである。スチームエゼクタ１０
には、水蒸気分離器３からスチームが供給され、これが
駆動源となり改質ガスの一部が昇圧されてスチームと混
合され脱硫器１上流に供給される。この混合流体は、原
燃料と混合されて水添反応の水素源として利用される。
一般に水添反応を進めるためには脱硫器１を流れるガス
中の水素濃度が５％以上となるようにリサイクルする改
質ガスの流量が設定される。このように従来電源駆動に
よる昇圧ブロア８でリサイクルの改質ガスを昇圧してい
たものがスチームを駆動源とするスチームエゼクタ１０
で代用することを可能としたので補機動力の削減を可能
とし発電効率の向上ができる。

【００１９】実施例２．また、この発明の実施例２にお
けるリン酸型燃料電池発電装置を図２に基づいて説明す
る。図において、１〜７，１０，１１は実施例１の図１
と同様でありその説明は省略する。１２はリサイクル路
１１のスチームエゼクタ１０の下流に設けられた冷却器
で、市水などを利用してスチームと改質ガスの混合流体
を冷却する。１３は冷却器１２の下流側に設けられた気
水分離器で、冷却器１２で冷却されて凝縮した水分を除
去する。

【００２０】次に動作について説明する。本構成では実
施例１の動作に加え、スチームエゼクタから吐出される
スチームと改質ガスの混合流体が冷却器１２で冷却され
て水分が凝縮し、さらに気水分離器１３で除去される。
この構成であれば、リサイクルする改質ガス流量が多い
場合でも水分の除去が適切になされるため、脱硫器１に
流れる改質ガスと原燃料の混合流体の水分が低く保て脱
硫器１を効果的に作用させる。

【００２１】実施例３．また、この発明の実施例３にお
けるリン酸型燃料電池発電装置を図３に基づいて説明す
る。図において、１〜７，１０〜１３は図２と同様であ
りその説明は省略する。１４は脱硫器１入口に設けられ
混合流体の温度を検知する手段となる温度センサ、１５
はリサイクル路１１に設けられた改質ガスのリサイクル
流量の調整手段となる流量調節弁である。

【００２２】次に動作について説明する。リサイクルす
る改質ガスは冷却器１２で十分に冷却されているため、
原燃料と混合する前の改質ガスの温度は４０℃〜６０℃
程度である。原燃料が３００℃〜４００℃であるため、
リサイクルする改質ガスの流量を変えることで原燃料と
改質ガスの混合流体の温度が容易に調節できる。よっ
て、本構成では実施例２の動作に加え、温度センサ１４
で検知された脱硫器１の入口における混合流体の温度に
よって改質ガスのリサイクル調節弁１５を用いてリサイ
クルする改質ガス流量を調整して脱硫器１の温度を一定
範囲内に保持することができる。

【００２３】実施例４．また、この発明の実施例４にお
けるリン酸型燃料電池発電装置を図４に基づいて説明す
る。図において、１〜７，１０，１１は実施例１の図１
と同様でありその説明は省略する。１４は脱硫器１入口
に設けられ混合流体の温度を検知する手段となる温度セ
ンサ、１６は原燃料予熱器２のバイパス回路１７に設け
られた原燃料予熱器バイパス流量調節弁である。

【００２４】次に動作について説明する。原燃料の一部
を原燃料予熱器２を通らないバイパス回路１７にバイパ
スさせた場合、原燃料に供給される熱量が減少するた
め、脱硫器１入口の原燃料の温度を下げることができ
る。本構成では実施例１の動作に加え、脱硫器１入口の
温度センサ１４で検知された脱硫器１の入口における混
合硫体の温度によって原燃料予熱器バイパス流量調節弁
１６を用いて原燃料予熱器２のバイパス流量を調整して
脱硫器１の温度を一定範囲内に保持できる。

【００２５】実施例５．また、この発明の実施例５にお
けるリン酸型燃料電池発電装置を図５に基づいて説明す
る。図において、１〜７，１０〜１３は実施例２の図２
と同様でありその説明は省略する。この構成の装置で起
動時には、脱硫器１上流から昇温媒体として例えば窒
素，アルゴン等の不活性ガスが供給され、改質器４には
都市ガスが供給されて燃焼され、その熱が熱交換器を通
して脱硫器入口の温度を上昇させる。起動には数時間が
必要であり、特別の窒素設備を有さない場合、この起動
に使用される不活性ガスの窒素流量を削減することが重
要である。

【００２６】次に動作について説明する。起動にあたっ
て脱硫器１の触媒を触媒の動作温度（３００℃〜４００
℃）まで昇温する必要がある。そのために改質器４に都
市ガスなどの燃料を供給して燃焼させ、その熱を原燃料
予熱器２により昇温媒体の不活性ガスここでは窒素で回
収して脱硫器１に供給する。脱硫器１を電気ヒータで昇
温する場合もあるが、この場合も脱硫器１の触媒を偏り
無く加熱するために窒素が昇温媒体として使用される。
ここまでは、従来の起動時と同じである。この構成の場
合、起動時に水蒸気分離器３からスチームエゼクタ１０
にスチームを供給し、ＣＯ変成器６下流の窒素を昇圧し
た後、冷却器１２と気水分離器１３で水分を除去して窒
素を脱硫器１にリサイクルし、再度、脱硫器１，改質器
４，ＣＯ変成器６などの反応器の昇温媒体として再利用
する。

【００２７】

【発明の効果】この発明の請求項１によれば、所定温度
に予熱された原燃料ガスを脱硫する脱硫器と、脱硫器に
より脱硫処理した脱硫ガスを加熱処理して改質する改質
器と、改質器により改質処理をした改質ガスを変成する
変成器と、変成器により変成処理した変成ガスを燃料ガ
スとして発電する燃料電池と、燃料電池の冷却系を形成
し燃料電池の発熱によりスチームを発生する水蒸気分離
器と、変成器により変成処理した変成ガスの一部を昇圧
して脱硫用リサイクルガスとして原燃料ガスとともに脱
硫器の上流に供給する脱硫用リサイクルガス路とを備え
た燃料電池発電装置において、脱硫用リサイクルガスの
昇圧は脱硫用リサイクルガス路にスチームエゼクタを設
けるとともに水蒸気分離器のスチームをスチームエゼク
タに供給してなるようにしたので、昇圧ブロアを使用し
ないため、補機動力を削減でき発電効率の良い燃料電池
発電装置が得られる効果がある。

【００２８】また、この発明の請求項２によれば、請求
項１において、スチームエゼクタと脱硫器上流との間に
脱硫用リサイクルガスとスチームとの混合流体中の水分
を除去できる冷却器と気水分離器を設けたので、リサイ
クルする改質ガス流量が多い場合でも脱硫器に流れる改
質ガスと原燃料の混合流体の水分が低く保てるため脱硫
器を効果的に作用させることができる。

【００２９】また、この発明の請求項３によれば、請求
項２において、脱硫器入口のガス温度を検知する手段
と、脱硫用リサイクルガスの流量調整手段とを備え、ガ
ス温度が一定範囲内に収まるよう流量調整手段で脱硫用
リサイクルガス流量を調整したので、脱硫器入口のガス
温度を一定範囲内に収めることができ、脱硫器を安定に
動作させることができる。

【００３０】また、この発明の請求項４によれば、請求
項１において、脱硫器の上流に原燃料ガスが予熱されな
いバイパス回路を設けるとともに脱硫器入口のガス温度
を検知する手段を備え、ガス温度が一定範囲内に収まる
ようにバイパス回路を流れる原燃料ガスの流量を調整し
たので、脱硫器入口のガス温度を一定範囲内に収めるこ
とができ、脱硫器を安定に動作させることができる。

【００３１】また、この発明の請求項５によれば、所定
温度に予熱された原燃料ガスを脱硫する脱硫器と、脱硫
器により脱硫処理した脱硫ガスを加熱処理して改質する
改質器と、改質器により改質処理をした改質ガスを変成
する変成器と、変成器により変成処理した変成ガスを燃
料ガスとして発電する燃料電池と、燃料電池の冷却系を
形成し燃料電池の発熱によりスチームを発生する水蒸気
分離器とを備え起動時の昇温媒体として不活性ガスを供
給するようにして構成された燃料電池発電装置におい
て、変成器と脱硫器間に上流よりスチームエゼクタ、冷
却器および気水分離器を設け、起動時に水蒸気分離器か
ら供給されるスチームをスチームエゼクタに供給し、変
成器下流の不活性ガスの一部を昇圧した後、冷却器と気
水分離器でスチームと不活性ガスの混合流体の水分を除
去し、脱硫器上流にリサイクルするようにしたので、昇
温媒体としての不活性ガスの再使用が可能となり、起動
時に用いる不活性ガスの使用量を削減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例１におけるリン酸型燃料電
池発電装置のフロー図である。

【図２】 この発明の実施例２におけるリン酸型燃料電
池発電装置のフロー図である。

【図３】 この発明の実施例３におけるリン酸型燃料電
池発電装置のフロー図である。

【図４】 この発明の実施例４におけるリン酸型燃料電
池発電装置のフロー図である。

【図５】 この発明の実施例５におけるリン酸型燃料電
池発電装置のフロー図である。

【図６】 従来のリン酸型燃料電池発電装置のフロー図
である。

【符号の説明】

１ 脱硫器、２ 原燃料予熱器、３ 水蒸気分離器、４
改質器、６ ＣＯ変成器（変成器）、７ 燃料電池、
１０ スチームエゼクタ、１１ リサイクル路（脱硫用
リサイクルガス器）、１２ 冷却器、１３ 気水分離
器、１４ 温度センサ（温度検知手段）、１５ 流量調
節弁（流量調整手段）、１６ 流量調節弁、１７ バイ
パス回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青野 敦 神戸市兵庫区和田崎町１丁目１番２号 三 菱電機株式会社神戸製作所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定温度に予熱された原燃料ガスを脱硫
   する脱硫器と、該脱硫器により脱硫処理した脱硫ガスを
   加熱処理して改質する改質器と、該改質器により改質処
   理をした改質ガスを変成する変成器と、該変成器により
   変成処理した変成ガスを燃料ガスとして発電する燃料電
   池と、該燃料電池の冷却系を形成し上記燃料電池の発熱
   によりスチームを発生する水蒸気分離器と、上記変成器
   により変成処理した変成ガスの一部を昇圧して脱硫用リ
   サイクルガスとして上記原燃料ガスとともに上記脱硫器
   の上流に供給する脱硫用リサイクルガス路とを備えた燃
   料電池発電装置において、上記脱硫用リサイクルガスの
   昇圧は上記脱硫用リサイクルガス路にスチームエゼクタ
   を設けるとともに上記水蒸気分離器のスチームを上記ス
   チームエゼクタに供給してなるようにしたことを特徴と
   する燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】 スチームエゼクタと脱硫器上流との間に
   脱硫用リサイクルガスとスチームとの混合流体中の水分
   を除去できる冷却器と気水分離器を設けたことを特徴と
   する請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】 脱硫器入口のガス温度を検知する手段
   と、脱硫用リサイクルガスの流量調整手段とを備え、上
   記ガス温度が一定範囲内に収まるよう上記流量調整手段
   で脱硫用リサイクルガス流量を調整したことを特徴とす
   る請求項２に記載の燃料電池発電装置。
4. 【請求項４】 脱硫器の上流に原燃料ガスが予熱されな
   いバイパス回路を設けるとともに脱硫器入口のガス温度
   を検知する手段を備え、上記ガス温度が一定範囲内に収
   まるように上記バイパス回路を流れる上記原燃料ガスの
   流量を調整したことを特徴とする請求項１に記載の燃料
   電池発電装置。
5. 【請求項５】 所定温度に予熱された原燃料ガスを脱硫
   する脱硫器と、該脱硫器により脱硫処理した脱硫ガスを
   加熱処理して改質する改質器と、該改質器により改質処
   理をした改質ガスを変成する変成器と、該変成器により
   変成処理した変成ガスを燃料ガスとして発電する燃料電
   池と、該燃料電池の冷却系を形成し上記燃料電池の発熱
   によりスチームを発生する水蒸気分離器とを備え起動時
   の昇温媒体として不活性ガスを供給するようにして構成
   された燃料電池発電装置において、上記変成器と上記脱
   硫器間に上流よりスチームエゼクタ、冷却器および気水
   分離器を設け、上記起動時に上記水蒸気分離器から供給
   されるスチームを上記スチームエゼクタに供給し、上記
   変成器下流の不活性ガスの一部を昇圧した後、上記冷却
   器と上記気水分離器で上記スチームと上記不活性ガスの
   混合流体の水分を除去し、上記脱硫器上流にリサイクル
   することを特徴とする燃料電池発電装置。