JPH1064571A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池発電装置を長期問停止した場合で
も、一酸化炭素変成装置内部の触媒の酸化を発生させる
ことなく、また、起動時、触媒の還元操作が必要な場合
でも安定した起動・発電が実現できる高信頼性の燃料電
池発電システムを提供すること。 【解決手段】 電解質であるリン酸を含浸したマトリ
ックスを挟んで燃料極および空気極を配置した単位セル
を複数個積層してなる燃料電池本体と、炭化水素系燃料
を改質して改質ガスを得る改質装置と、改質装置で得た
改質ガスを前記燃料電池本体の燃料極に反応用の燃料と
して供給すべく該改質ガス成分中の一酸化炭素を二酸化
炭素に変成する一酸化炭素変成装置とを備えて構成され
る燃料電池発電システムにおいて、一酸化炭素変成装置
内部の触媒を還元反応させるため、システムの停止中、
触媒に水素を供給するようにしたこと、並びに、燃料電
池発電装置を停止した後、再起動をする際に、一酸化炭
素変成装置の触媒還元操作を自動的に行わせるようにし
たこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電装置
の停止中に一酸化炭素変成装置内部の触媒が酸化するこ
とにより生ずる再起動の際の燃料不足の問題を解決した
燃料電池発電システムに係り、特に、プロセス燃料導入
時に事前に一酸化炭素変成装置内部の触媒の還元操作を
行い、必要に応じて起動中自動で還元操作をすることに
より、安定した起動・発電を行えるようにした燃料電池
発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池発電システムは、電解
質を挟んで燃料極および空気極を配置した単位セルを複
数個積層して構成される燃料電池本体を備え、燃料極に
反応用の燃料を、空気極に反応用の空気を供給すること
によって発電を行うものであり、通常発電に伴って生じ
る熱も利用するようになっている。

【０００３】燃料電池発電システムに用いる燃料は、都
市ガス等の炭化水素を水蒸気と混合し、改質装置によっ
て水素を主成分とする改質ガスに転換して、燃料電池本
体の燃料極へ供給するようにしている。そして、上記電
解質としてリン酸を使用したものがリン酸型燃料電池発
電システムであり、数十ｋＷ〜千ｋＷの発電規模で、現
在最も実用化の進んでいる燃料電池発電システムであ
る。

【０００４】図２は、従来の燃料電池発電システムの構
成例を示すブロック図である。

【０００５】図２において、燃料電池本体１は、図に示
すように電解質であるリン酸を含浸したマトリックス２
を挟んで燃料極３および空気極４を配置して単位セルを
構成している。なお、図示はしていないが実際の燃料電
池では、燃料極３、空気極４、マトリックス２からなる
このような単位セルを、ガスの分離板を介して複数個積
層して、燃料電池本体を構成している。

【０００６】上記燃料電池本体１の燃料極３には、次の
ようにして燃料が供給される。

【０００７】すなわち、都市ガス等の炭化水素系燃料は
原燃料供給ライン５の原燃料流量調整弁５ａを経て水添
脱硫装置６で脱硫される。符号５ｂは原燃料流量計であ
る。脱硫された炭化水素系燃料はエジェクタ７で水蒸気
と混合され、改質装置８の反応部９に導かれて、水蒸気
改質反応により水素リッチの改質ガスが生成する。この
改質ガス中には、主成分として水素を含むが、その他に
一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気が含まれてい
る。

【０００８】そして、改質装置８から取り出された改質
ガスは、改質ガスライン１０を介して一酸化炭素変成装
置１１に導かれ、ここで一酸化炭素のシフト反応によ
り、リン酸型の燃料電池本体１に有害な改質ガス中の一
酸化炭素量が低減される。この際、水蒸気と一酸化炭素
から水素と二酸化炭素が生成され、より水素濃度の高め
られた水素リッチの改質ガスとなって燃料供給ライン１
２を介して燃料電池本体１の燃料極３に反応用の燃料と
して供給される。なお、余剰の改質ガスは、再循環ライ
ン１３を介して原燃料と一緒に水添脱硫装置６に送られ
て再利用される。また、上記燃料電池本体１の空気極４
には、空気ブロワ１４より反応用の空気が導入される。

【０００９】そして、燃料電池本体１において、供給さ
れた空気中の酸素と前述した改質ガス中の水素を反応さ
せて発電が行われる。反応に利用されなかった余剰のガ
スや発生した水蒸気は、排出ライン１５から系外へ排出
される。この反応の際、燃料電池本体では発電と同時に
反応熱も生じるため、燃料電池本体１の温度を摂氏１９
０度程度の適正温度に保つことを目的として、冷却水ラ
イン１６から内部に冷却水が供給される電池冷却器１７
が燃料電池本体１に密着させて設置されている。 な
お、燃料電池本体１の燃料極３に供給された改質ガス中
の水素は、全量反応に使用されず、燃料極３の排ガスに
はまだ水素が余剰燃料として含まれている。このため、
この燃料極排ガスは、バーナライン１８を介し、改質装
置８のバーナ１９へ供給され、空気ブロワ１４から供給
される燃焼用空気により燃焼して燃焼ガスとなり、改質
装置８の反応部９の加熱源として利用され、しかる後、
燃焼排ガスライン２０から系外に排出される。

【００１０】ところで、燃料電池発電システムの運転
中、改質ガスライン１０は摂氏２００度程度の高温状態
にあるため、停止後、温度の低下に伴い配管内のガス圧
力が低下し、燃料電池本体１の燃料極３出口側の燃焼排
ガスライン２０から外気が流入し、一酸化炭素変成装置
１１に達し、一酸化炭素変成装置１１内部の触媒が酸化
反応を起こす。

【００１１】このため、長期間停止した後の燃料電池再
起動時、改質装置８から取り出された改質ガスは、一酸
化炭素変成装置１１内部の触媒の還元反応により消費さ
れてしまい、還元反応が終了する前に発電状態まで制御
を進行させると、燃料電池本体１の燃料極３に供給され
る改質ガス量が低下し、燃料電池発電システムは運転不
能となる。

【００１２】そこで、外気の流入による一酸化炭素変成
装置１１の内部触媒酸化反応を防止するため、一酸化炭
素変成装置１１を含めた燃料供給ライン１２に、窒素供
給遮断弁２１ａを備えた窒素供給ライン２１を接続し、
燃料電池発電システムの停止中、温度の低下に伴う配管
内ガス圧力低下を補うため窒素供給遮断弁２１ａを開に
し、燃料供給ライン１２に窒素を定期的に一定量供給す
るようにしている。これにより、燃料供給ライン１２お
よび一酸化炭素変成装置１１への空気の流入を防止する
ことができる。この際、原燃料流量調節弁５ａは閉にす
る。

【００１３】しかしながら、この方法では１週間程以上
の長期間、燃料電池発電システムを停止した場合、極く
僅かな空気の流入があるため、一酸化炭素変成装置１１
内部の触媒の酸化反応を完全に防止することができず、
このため起動時に一酸化炭素変成装置１１内部の触媒を
手動により還元させてやる必要がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
燃料電池発電システムにおいては、長期間、燃料電池発
電装置を停止した場合、一酸化炭素変成装置の内部触媒
の酸化により、再起動時、手動で触媒の還元操作が必要
であるという課題があった。

【００１５】そこで、本発明は、燃料電池発電装置を長
期問停止した場合でも、一酸化炭素変成装置内部の触媒
の酸化を発生させることなく、また、起動時、触媒の還
元操作が必要な場合でも安定した起動・発電が実現でき
る信頼性の高い燃料電池発電システムを提供することを
目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】したがって、第１の発明
の燃料電池発電システムは、電解質であるリン酸を含浸
したマトリックスを挟んで燃料極および空気極を配置し
た単位セルを複数個積層してなる燃料電池本体と、炭化
水素系燃料を改質して改質ガスを得る改質装置と、前記
改質装置で得た改質ガスを前記燃料電池本体の燃料極に
反応用の燃料として供給すべく該改質ガス成分中の一酸
化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成装置とを
備えて構成される燃料電池発電システムにおいて、前記
一酸化炭素変成装置内部の触媒を還元反応させるため、
システムの停止中、前記触媒に水素を供給するようにし
たことを特徴としている。

【００１７】この発明によれば、燃料電池発電装置の停
止中、例えば定期的に炭素変成装置内部の触媒に水素を
供給して触媒還元反応を定期的に行わせることにより、
再起動時の還元操作を不要にすることができる。

【００１８】また、この発明においては、前記触媒に水
素を供給したときの触媒温度、前記一酸化炭素変成装置
出口温度及び前記一酸化炭素変成装置出口のガス組成の
少なくとも一つの変化を検出して触媒反応の必要性を判
断し、さらに、水素供給の制御及び／又は触媒還元操作
の終了を行わせることが可能である。これにより、還元
操作時間を最低限に抑えるとともに、触媒の還元に必要
な水素供給量を最低限に減少させることができる。

【００１９】さらに、第２の発明は、電解質であるリン
酸を含浸したマトリックスを挟んで燃料極および空気極
を配置した単位セルを複数個積層してなる燃料電池本体
と、炭化水素系燃料を改質して改質ガスを得る改質装置
と、前記改質装置で得た改質ガスを前記燃料電池本体の
燃料極に反応用の燃料として供給すべく該改質ガス成分
中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成
装置とを備えて構成される燃料電池発電システムにおい
て、燃料電池発電装置を停止した後、再起動をする際
に、前記一酸化炭素変成装置の触媒還元操作を自動的に
行わせることを特徴としている。

【００２０】この発明では、燃料電池発電装置を停止し
た後、再起動をする際に、事前に自動的に前記一酸化炭
素変成装置の触媒還元操作を行わせる制御ロジックを行
わせることにより、安定した起動・発電を行わせること
ができる。このように、燃料電池発電装置のオペレータ
の監視能力に依存していた還元操作を、自動化すること
により、安全かつ正確に無人での起動・発電を実現でき
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例について
図面を参照して詳細に説明する。

【００２２】図１は、本発明による燃料電池発電システ
ムの構成例を示すブロック図であり、図２と同一部分に
は同一符号を付して示している。

【００２３】この実施例では、図１で示した従来のシス
テムの改質ガスライン１０に触媒還元反応を行う水素ガ
スを供給するための外部水素供給ライン２２を接続する
一方、燃料供給ライン１２の窒素供給ライン２１と改質
ガスライン１０間に一酸化炭素変性装置１１を通過した
水素を外部へ排出するための水素ガス排気弁１２ｂと燃
料電池本体１の燃料極に１６への水素の流入を防ぐため
の燃料供給ライン遮断弁１２ａが順に設けられている。
なお、一酸化炭素変性装置１１内には一酸化炭素変性装
置内部温度計１１ａが、一酸化炭素変性装置１１の出口
配管には一酸化炭素変性装置出口温度計１０ａが、改質
ガスライン１０と水素ガス排気弁１２ｂ間の燃料供給ラ
イン１２には水素濃度計１３ａがそれぞれ設置されてい
る。

【００２４】図１において、燃料電池本体１は、図に示
すように電解質であるリン酸を含浸したマトリックス２
を挟んで燃料極３および空気極４を配置して単位セルを
構成している。なお、図示はしていないが実際の燃料電
池では、燃料極３、空気極４、マトリックス２からなる
このような単位セルを、ガスの分離板を介して複数個積
層して、燃料電池本体を構成している。

【００２５】上記燃料電池本体１の燃料極３には、次の
ようにして燃料が供給される。

【００２６】すなわち、都市ガス等の炭化水素系燃料は
原燃料供給ライン５の原燃料流量調整弁５ａを経て水添
脱硫装置６で脱硫される。符号５ｂは原燃料流量計であ
る。脱硫された炭化水素系燃料はエジェクタ７で水蒸気
と混合され、改質装置８の反応部９に導かれて、水蒸気
改質反応により水素リッチの改質ガスを生成する。この
改質ガス中には、主成分として水素を含むが、その他に
一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気が含まれてい
る。

【００２７】そして、改質装置８から取り出された改質
ガスは、改質ガスライン１０を介して一酸化炭素変成装
置１１に導かれ、ここで一酸化炭素のシフト反応によ
り、リン酸型の燃料電池本体１に有害な改質ガス中の一
酸化炭素量が低減される。この際、水蒸気と一酸化炭素
から水素と二酸化炭素が生成され、より水素濃度を高め
られた水素リッチの改質ガスとなって燃料供給ライン１
２を介して燃料電池本体１の燃料極３に反応用の燃料と
して供給される。なお、余剰の改質ガスは、再循環ライ
ン１３を介して原燃料と一緒に水添脱硫装置６に送ら
れ、再利用される。また、上記燃料電池本体１の空気極
４には空気ブロワ１４より反応用の空気が導入される。

【００２８】そして、燃料電池本体１において、供給さ
れた空気中の酸素と前述した改質ガス中の水素を反応さ
せて発電を行われる。反応に利用されなかった空気や発
生した水蒸気は、排出ライン１４から系外へ排出され
る。この反応の際、燃料電池本体では発電と同時に反応
熱も生じるため、燃料電池本体１の温度を摂氏１９０度
程度の適正温度に保つことを目的として、冷却水ライン
１６から内部に冷却水が供給される電池冷却器１７が燃
料電池本体１に密着させて設置されている。

【００２９】なお、燃科電池本体１の燃料極３に供給さ
れた改質ガス中の水素は、全量反応に使用されず、燃料
極３の排ガスにはまだ水素が余剰燃料として含まれてい
る。このため、この燃料極排ガスは、バーナライン１８
を介し、改質装置８のバーナ１９へ供給され、空気ブロ
ワ１４から供給される燃焼用空気により燃焼して燃焼ガ
スとなり、改質装置８の反応部９の加熱源として利用さ
れ、しかる後燃焼排ガスライン１４から系外に排出され
る。

【００３０】次に、燃料電池発電装置停止時の外部水素
供給による触媒還元操作について説明する。

【００３１】水素は、外部水素供給ライン２２に設置し
てある外部水素供給遮断弁２２ａを開にすることによっ
て改質ガスライン１０に供給される。供給された水素
は、一酸化炭素変成装置１１を通過して、水素ガス排気
弁１２ｂにより、外部へ排気される。この際、燃料供給
ライン遮断弁１２ａは閉にして、燃料電池本体１の燃料
極３への水素の流入を防ぐ。この外部水素供給は、燃料
電池発電システムが停止している限り、定期的に実施さ
れる。毎回の還元操作の終了は、一酸化炭素変成装置内
部温度計１１ａおよび一酸化炭素変成装置出口温度計１
０ａの指示値または燃料供給ライン１２に設置してある
水素濃度計１３ａの指示値を目安にして行う。還元操作
は発熱反応であるので、一酸化炭素変成装置内部温度計
１１ａおよび一酸化炭素変成装置出口温度計１０ａの指
示値が上昇しないこと、または、水素濃度計１３ａの指
示値が極端に低下しないことを確認して、還元操作を終
了する。

【００３２】なお、上記指示値に応じて還元操作を停止
する前に、水素供給量を減少させる段階を置くようにす
れば供給された水素をより有効に触媒還元反応に利用す
ることができ、水素供給量の低減をはかることができ
る。

【００３３】上記の還元操作終了後、原燃料供給ライン
５入口から窒素を供給して、改質ガスライン１０および
燃料供給ライン１２内部に満たされている水素を窒素で
置換する。その際、外部水素供給遮断弁２２ａは閉、燃
料供給ライン遮断弁１２ａは開、水素ガス排気弁１２ｂ
は閉とする。

【００３４】以上の弁操作、指示値監視および窒素によ
る置換は、すべて自動で行い、仮に外部水素が欠乏した
場合は、直ちに還元操作を終了し、改質ガスライン１０
および燃料供給ライン１２の水素を窒素で置換し、遠距
離にいる人間に警報として、通信回線を介して、送信さ
れる。

【００３５】次に、燃料電池発電装置の起動時に実施さ
れる自動触媒還元操作について説明する。この実施例で
は、予め次のようなシーケンスの制御ロジックが図示を
省略したシステムの制御装置にプログラムされている。

【００３６】燃料電池発電装置を長期間停止していた場
合、起動時、原燃料を原燃料供給ライン５に導入する
際、原燃料流量調節弁５ａの初期流量設定値を自動的に
低下させ、一酸化炭素変成装置内部温度計１１ａおよび
一酸化炭素変成装置出口温度計１０ａの指示値が上昇し
ないこと、または、水素濃度計１３ａの指示値が極端に
低下しないことを確認後、流量設定値を段階的に初期設
定値まで上昇させて、還元操作を行うようにする。その
際、外部水素供給遮断弁２２ａは閉、燃料供給ライン遮
断弁２０ａは開、水素ガス排気弁２０ｂは閉、窒素供給
遮断弁２１ａは閉とする。このような操作を行わせるこ
とにより、燃料電池発電装置を長期間停止した後の再起
動時、一酸化炭素変成装置１１内部の触媒の還元反応が
終了する前に発電状態まで制御を進行させて燃料電池発
電システムが運転不能となるような事態が回避される。

【００３７】このように実施の形態によれば、一酸化炭
素変成装置１１内部の触媒の酸化等を防止することがで
き、安定した信頼性の高い燃料電池発電システムを供給
することができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、燃料電池発電装置を長
期間停止した場合でも、定期的に一酸化炭素変成触媒の
還元操作を行うことによって、再起動時の還元操作を省
略することができる。また、仮に事前に触媒の還元操作
を実施していなくても、起動時に自動的に還元操作を行
うことによって発電時の燃料不足を生じない、無人での
起動が可能な安定した燃料電池発電システムを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池発電システムの一実施例
を示すブロック図。

【図２】従来の燃料電池発電システムの構成例を示すブ
ロック図。

【符号の説明】

１…燃料電池本体、２…マトリックス、３…燃料極、４
…空気極、５…原燃料供給ライン、５ａ…原燃料流量調
節弁、５ｂ…原燃料流量計、６…水添脱硫装置、７…エ
ジェクタ、８…改質装置、９…反応部、１０…改質ガス
ライン、１０ａ…一酸化炭素変成装置出口温度計、１１
…一酸化炭素変成装置、１１ａ…一酸化炭素変成装置内
部温度計、１２…燃料洪給ライン、１２ａ…燃料供給ラ
イン遮断弁、１２ｂ…水素ガス排気弁、１３…再循環ラ
イン、１３ａ…水素濃度計、１３…空気ブロワ、１５…
電池冷却水ライン、１６…電池冷却器、１８…バーナラ
イン、１９…バーナ、２０…燃焼排ガスライン、２１…
窒素供給ライン、２１ａ…窒素供給遮断弁、２２…外部
水素供給ライン、２２ａ…外部水素供給遮断弁。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質であるリン酸を含浸したマトリッ
   クスを挟んで燃料極および空気極を配置した単位セルを
   複数個積層してなる燃料電池本体と、炭化水素系燃料を
   改質して改質ガスを得る改質装置と、前記改質装置で得
   た改質ガスを前記燃料電池本体の燃料極に反応用の燃料
   として供給すべく該改質ガス成分中の一酸化炭素を二酸
   化炭素に変成する一酸化炭素変成装置とを備えて構成さ
   れる燃料電池発電システムにおいて、前記一酸化炭素変
   成装置内部の触媒を還元反応させるため、システムの停
   止中、前記触媒に水素を供給するようにしたことを特徴
   とする燃料電池発電システム。
2. 【請求項２】 電解質であるリン酸を含浸したマトリッ
   クスを挟んで燃料極および空気極を配置した単位セルを
   複数個積層してなる燃料電池本体と、炭化水素系燃料を
   改質して改質ガスを得る改質装置と、前記改質装置で得
   た改質ガスを前記燃料電池本体の燃料極に反応用の燃料
   として供給すべく該改質ガス成分中の一酸化炭素を二酸
   化炭素に変成する一酸化炭素変成装置とを備えて構成さ
   れる燃料電池発電システムにおいて、燃料電池発電装置
   を停止した後、再起動をする際に、前記一酸化炭素変成
   装置の触媒還元操作を自動的に行わせることを特徴とす
   る燃料電池発電システム。