JPH11278806A - 燃料電池プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の動作温度が低くても水蒸気改質に
不可欠な水蒸気を確実に確保してメタノールを原燃料と
することができ、しかもコンパクトで低コスト化を図っ
た燃料電池プラントを提供する。 【解決手段】 本発明の燃料電池プラントではメタノー
ル水溶液を原燃料とし、このメタノール水溶液における
メタノールと水との混合比を１：１．５〜１：２．０と
している。また、燃料電池本体１５の水素極１６を通過
した排燃料と燃料電池本体１５の酸素極１７を通過した
排空気とを取入れて燃焼ガスを生成するバーナ１８を備
えており、このバーナ１８からの燃焼ガスを改質器１３
に取込んでメタノール水溶液の水蒸気改質を行うように
なっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原燃料としてメタ
ノールを使用する燃料電池プラントに係り、特に、メタ
ノールの改質に不可欠な水蒸気および熱を容易に確保す
るように燃料処理技術に改良を加えた燃料電池プラント
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に燃料電池とは、水素と酸素との電
気化学反応により燃料の持つ化学エネルギーを直接、電
気エネルギーに変換する装置であり、高い発電効率を得
ることができる。この燃料電池は内部に燃焼サイクルを
持たない。そのため、振動や騒音が小さく、公害要因と
なるＳＯｘ、ＮＯｘの排出が少ない。このように燃料電
池は高い発電効率とクリーンな排気特性といった利点を
持つことができる。また近年では、省資源や地球環境の
保全に一段と関心が集まっている。このような社会的要
請も手伝って、民生用としての実用化を目指して燃料電
池プラントの開発が各所で盛んに行われている。

【０００３】燃料電池の種類としては固体高分子型やリ
ン酸型といったものが知られている。中でも固体高分子
型燃料電池は、 出力密度が高く、小型化・軽量化が可能である． 電解質が固体であるため、散逸がなく、長寿命化が可
能である． 電解質が腐食性でなく、しかも動作温度が低いため、
耐食性の面から電池構成材料の制約がないので、コスト
低減が容易である． 常温で起動できるため、起動時間が短い． ＣＯ2 を含む改質ガス（但しＣＯ濃度の低い）の使用
が可能なため、燃料として純水素のほかに天然ガスやメ
タノールの改質ガスが使用できる． といった優れた特徴を有している。

【０００４】ただし、上記の特徴に関しては、利点と
して十分には活かされていない。その理由は、固体高分
子型燃料電池では動作温度が通常１００℃以下と低いた
めに天然ガスやメタノールの水蒸気改質に必要な水蒸気
を確保することが困難だからである。つまり、動作温度
の低さが災いして、かえって天然ガスやメタノールを原
燃料として使用することができなかった。そのため従来
では、メタノールを原燃料とした固体高分子型燃料電池
プラントはほとんど見られなかった。

【０００５】しかし、リン酸型燃料電池プラントにおい
てはメタノールを原燃料としたものがすでに提案されて
いる。ここで、メタノールを原燃料としたリン酸型燃料
電池プラントの従来例について図７を参照して説明す
る。図７は燃料電池プラントの機器構成及びプラント内
に流れる流体のフローを示す構成図である。

【０００６】［燃料電池プラントの概要］図７に示すよ
うに、燃料電池プラントの主要構成要素は、水素極１６
及び酸素極１７を有する燃料電池本体１５である。この
燃料電池本体１５では水素極１６に供給される燃料ガス
と、空気ブロワ２０によって酸素極１７に供給される空
気との電気化学反応によって発電する（燃料の供給系統
については後述する）。この電気化学反応は発熱反応で
もあるので、燃料電池本体１５には燃料電池本体１５内
に冷却水を循環させるよう電池冷却水ポンプ２１が接続
されている。また、燃料電池本体１５における冷却水の
出口側には水蒸気分離器１９が接続されており、燃料電
池本体１５での発熱により一部が沸騰した冷却水を水蒸
気分離器１９にて水蒸気と飽和水とに分離される。この
うち飽和水は電池冷却水ポンプ２１へと導かれ、電池冷
却水として循環されて電池冷却水系が構成される。ま
た、水蒸気はメタノールの水蒸気改質反応に必要な水蒸
気として、後述する燃料供給系統（具体的には改質器１
３）に導かれる。

【０００７】また、燃料電池１５の水素極１６及び酸素
極１７の出口側にはそれぞれ、排燃料予熱器２４及び排
空気予熱器２５が接続されている。排空気予熱器２５に
は排ガス凝縮器２６が接続され、排ガス凝縮器２６には
水回収タンク２７が接続されている。排ガス凝縮器２６
にて冷却・凝縮された水分は水回収タンク２７に集めら
れる。水回収タンク２７には水回収ポンプ２２が接続さ
れており、水回収ポンプ２２により水回収タンク２７か
ら電池冷却水系へと冷却水が回収される。このような冷
却水の回収により、水蒸気分離器１９から水蒸気が改質
器１３へと導かれても、電池冷却水系における冷却水量
が常に一定となるように調整されている。

【０００８】［燃料処理系統］続いて、燃料電池プラン
トにおける燃料の流れについて説明する。燃料電池プラ
ントには燃料供給ポンプ１１（図７中の左下）が設けら
れており、ここにメタノール蒸発器１２が接続されてい
る。メタノール蒸発器１２に近接してバーナを有する熱
媒体加熱器８が設けられる。さらに、メタノール蒸発器
１２には改質ガスを生成するための改質器１３が接続さ
れており、改質器１３と熱媒体加熱器８との間には熱媒
体循環ポンプ２３が配設されている。改質器１３にはＣ
ｕ−ＺｎＯ系の触媒が充填されており、改質ガス出口側
にＣＯ変成器１４が接続されている。また、ＣＯ変成器
１４にもＣｕ−ＺｎＯ系の触媒が充填されており、ここ
から燃料電池１５の水素極１６に燃料ガスを供給するよ
うになっている。なお、Ｃｕ−ＺｎＯ系の触媒における
耐熱温度は通常、５００℃程度である。

【０００９】以上の燃料電池プラントにおける燃料供給
系統では、燃料供給ポンプ１１がメタノール液を昇圧し
てメタノール蒸発器１２に送込み、メタノール蒸発器１
２は熱媒体加熱器８からの燃焼ガスによりメタノール液
を加熱して蒸発・気化する。そしてメタノール蒸発器１
２は蒸発・気化したメタノール蒸気を改質器１３に送
る。このとき、改質器１３では水蒸気分離器１９にて分
離された水蒸気を取入れ、メタノール蒸気と水蒸気とを
適量の混合比に混合する。このようにメタノールの水蒸
気改質反応に必要な水蒸気が水蒸気分離器１９から燃料
供給系統に導かれる。このため、プラントの運転に伴っ
て冷却水が不足しないよう、水回収ポンプ２２が水回収
タンク２７から電池冷却水系へと冷却水が回収すること
により、改質器１３では充填された触媒の働きにより、
次の（１）式で示すメタノール分解反応と、（２）式で
示すＣＯシフト反応とを行う。

【００１０】

【化１】ＣＨ3 ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ2 …（１）

【化２】ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ → ＣＯ2 ＋Ｈ2 …（２） （１）式に示すメタノール分解反応は吸熱反応、（２）
式に示すＣＯシフト反応は発熱反応であるが、（１）式
に示す分解反応の吸熱量が大きい。そこで、改質器１３
には熱を供給しなくてはならない。このため、熱媒体加
熱器８では燃料電池１５の水素極１６を通過した排燃料
（水素を含む）と、燃料電池１５の酸素極１７を通過し
た排空気（酸素を含む）とをそれぞれ、排燃料予熱器２
４及び排空気予熱器２５から熱媒体加熱器８のバーナに
導いて燃焼させ、この燃焼ガスによって熱媒体を加熱す
る。本熱媒体は熱媒体循環ポンプ２３によって改質器１
３と熱媒体加熱器１８の間を循環し、改質器１３に必要
な熱を供給することができる。このときの改質器１３へ
供給される熱媒体の温度は改質器１３に充填されたＣｕ
−ＺｎＯ系などの触媒の耐熱温度に合せて、５００℃程
度に設定されるのが一般的である。

【００１１】なお、予熱器２４，２５では排燃料及び排
空気を予熱するようになっているが、その熱源としては
メタノール蒸発器１２で熱交換を終えた燃焼ガスを利用
している。また、各予熱器２４，２５を通過した燃焼ガ
スは排ガス凝縮器２６に導かれて露点以下に例えば系統
外よりの冷却水によって冷却され、大気に放出される。

【００１２】改質器１３から出た改質ガスはＣＯ濃度が
数パーセントオーダである。この改質ガスをＣＯ変成器
１４に導き、ＣＯ変成器１４が改質ガス中のＣＯ濃度を
低下させる。ＣＯ変成器１４では触媒の働きにより上記
（２）式に示すＣＯシフト反応を行う。前述したように
ＣＯシフト反応は発熱反応であるためＣＯ変成器１４を
冷却しなくてはならない。このため、系統外の冷却水に
よって改質ガスを含めて触媒層を冷却し、改質ガス中の
ＣＯ濃度を０．５パーセント以下として燃料電池１５の
水素極１６に供給する。

【００１３】以上のようなメタノールを原燃料とするリ
ン酸型燃料電池プラントにおいては、水蒸気改質の触媒
にとって被毒物質である硫黄・塩素等を含まないため、
脱硫器が不要であり、機器構成を簡素化することができ
る。また、水蒸気改質の動作温度が低いので、燃料処理
に関わる機器の構造を簡素化することができ、しかも耐
食性の面から電池構成材料に関して制約がないため、コ
スト低減が容易である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料電池プラントにおいて次のような問題点があった。
まず、すでに述べたように固体高分子型のように燃料電
池の動作温度が低い場合、水蒸気改質に不可欠な水蒸気
の確保が難しいため、メタノールを原燃料とした燃料電
池プラントは実用化するに至っていなかった。

【００１５】また、図７に示した従来例のようにリン酸
型燃料電池プラントにおいてメタノールを原燃料とした
場合、改質器１３の他に、熱媒体加熱器８や熱媒体循環
ポンプ２３、さらにはメタノール蒸発器１２等、燃料処
理に関わる機器数が多くなっった。しかも、図７の燃料
電池プラントにおいては、原燃料であるメタノールと水
蒸気とをプラント運転負荷に応じて各々流量を常に調節
し、適切な混合比を保って改質器１３に供給している。
したがって、プラント運転負荷の急激な変化に対応する
には水蒸気とメタノールとの混合比下限値に余裕を持た
せた状態量を設定するなど、プラント制御系の複雑化を
招いていた。このように、従来の燃料電池プラントでは
大形化や複雑化が問題となっており、さらにそれに伴っ
て製造コスト及び運転コストが高騰していた。

【００１６】さらに、燃料電池プラントにおける一般的
な課題として、改質器の長寿命化やや電極触媒に対する
ＣＯ被毒の抑制が望まれている。そのため、改質器に供
給される熱媒体の温度（具体的には改質器に充填される
触媒の耐熱温度）を適正に調整することや、水素極へ供
給する改質ガス中のＣＯ濃度の低下を図ることが強く要
請されている。

【００１７】本発明は、以上のような問題点を解決する
ために提案されたものであり、その主たる目的は、燃料
電池の動作温度が低くても水蒸気改質に不可欠な水蒸気
を確実に確保してメタノールを原燃料とすることがで
き、しかもコンパクトで低コスト化を図った燃料電池プ
ラントを提供することにある。

【００１８】また、本発明の他の目的は、改質器に供給
される熱媒体の温度を適正に調整して、改質器の長寿命
化を図った燃料電池プラントを提供することにある。さ
らに、本発明の他の目的は、改質ガス中のＣＯ濃度のさ
らなる低下を図った燃料電池プラントを提供することに
ある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、空気が供給される酸素極及び燃
料ガスが供給される水素極を有し前記空気と前記燃料ガ
スとの電気化学反応によって電気エネルギー及び熱エネ
ルギーを生成する燃料電池本体と、原燃料と水蒸気とを
取入れて改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスを
取入れ該改質ガス中のＣＯ濃度を低下させて前記燃料ガ
スを生成しこれを前記水素極に供給するＣＯ変成器と、
前記酸素極に空気を供給する空気ブロワと、前記燃料電
池本体に冷却水を供給する電池冷却水ポンプとを備えた
燃料電池プラントにおいて、メタノール水溶液を前記原
燃料とし、当該メタノール水溶液を蒸発させてメタノー
ル蒸気を生成する蒸発部と、前記メタノール蒸気を過熱
状態にして過熱メタノール蒸気を生成する過熱部とを設
け、前記改質器に前記過熱メタノール蒸気から前記改質
ガスを生成する改質反応部を配設し、前記水素極を通過
した排燃料と前記酸素極を通過した排空気とを取入れて
燃焼ガスを生成しこれを前記蒸発部、前記過熱部及び前
記改質反応部に供給するバーナを備えたことを特徴とす
る。

【００２０】以上のような構成を有する請求項１の発明
では、メタノールと水の混合溶液、すなわちメタノール
水溶液を原燃料としてこれを加熱してメタノールの水蒸
気改質に必要な水蒸気を確保することができる。より具
体的には、蒸発部がメタノール蒸気を生成し、続いて過
熱部がこのメタノール蒸気を過熱状態にして過熱メタノ
ール蒸気を生成し、さらには改質器の改質反応部が過熱
メタノール蒸気から改質ガスを生成する。また請求項１
の発明においては、バーナにて燃料電池の水素極からの
排燃料と酸素極からの排空気を燃焼させることによって
燃焼ガスを生成し、この燃焼害の熱を用いてメタノール
水溶液を加熱し、水蒸気改質を行うことができる。

【００２１】請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電
池プラントにおいて、前記メタノール水溶液におけるメ
タノールと水との混合比を１：１．５〜１：２．０とし
たことを特徴とする。

【００２２】このような請求項２の発明では、メタノー
ル水溶液におけるメタノールと水との混合比を１：１．
５〜１：２．０とすることにより、過不足のない水蒸気
量を確保することができ、経済的である。しかも請求項
２の発明では、予めメタノールと水とを適切な混合比に
調節しているので、プラント運転負荷の急激な変化に追
随するに燃料流量のみを適切に制御することで対応可能
であり、燃料電池プラント制御系の簡素化が可能であ
る。

【００２３】請求項３の発明は、請求項１または２記載
の燃料電池プラントにおいて、前記蒸発部及び前記過熱
部として内部に前記メタノール水溶液が流れる加熱管を
前記改質器に組込み、前記燃焼ガスを、まず前記加熱管
の周囲へ、続いて前記改質反応部へと順次供給するよう
に構成したことを特徴とする。

【００２４】このような構成を有する請求項３の発明に
おいては、蒸発部及び過熱部となる加熱管を改質器に組
込むことにより、熱媒体加熱器を不要とすることができ
る。従って、改質器とメタノール水溶液の蒸発器を同一
容器内に収納することが可能となり、機器の簡略化を図
ることができる。また請求項３の発明では、バーナから
の燃焼ガスをまず蒸発部及び過熱部である加熱管の周囲
へ供給するので、ここで燃焼ガスの温度を低下させるこ
とができる。そのため改質反応部へ供給される燃焼ガス
の温度は低くなる。この結果、改質反応部は寿命を延ば
すことが可能となると共に、高い耐熱性を備える必要が
なく材料に対する制約がなくなるのでコストの低減を図
ることができる。

【００２５】請求項４の発明は、請求項１または２記載
の燃料電池プラントにおいて、前記蒸発部及び前記過熱
部の一方を前記改質器に組込み、前記蒸発部及び前記過
熱部の他方を前記改質器とは別に独立して設け、前記燃
焼ガスを、まず独立して設けられた前記蒸発部または前
記過熱部へ、続いて前記改質器に組込まれた前記蒸発部
または前記過熱部へ、しかる後に前記改質反応部へと順
次供給するように構成したことを特徴とする。

【００２６】このような構成を有する請求項４の発明に
おいては、蒸発部及び過熱部の一方を改質器に組込み、
他方を改質器とは別に独立して設けることにより、改質
器の小形化を図って、燃料電池プラント全体から見た場
合のコンパクト化を進めることが可能となる。また、バ
ーナからの燃焼ガスをまず蒸発部あるいは過熱部に供給
して燃焼ガスの温度を低下させるので、改質反応部へ供
給される燃焼ガスの温度は低くなり、改質反応部の長寿
命化やコストの低減が可能となる。

【００２７】請求項５の発明は、請求項１、２、３また
は４記載の燃料電池プラントにおいて、前記バーナに第
１および第２の排空気取入口を形成し、前記第１の排空
気取入口から取入れた排空気により前記排燃料を燃焼さ
せて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスを前記第２の排空
気取入口から取入れた排空気により希釈するように構成
したことを特徴とする。

【００２８】以上のような請求項５の発明では、バーナ
に導く排空気を二分し、第１の排空気取入口から取入れ
た排空気で排燃料を燃焼させ、しかる後に第２の排空気
取入口から取入れた排空気でバーナ燃焼ガスを希釈する
ことによって燃焼ガス温度を低下させることができる。
したがって、改質反応部へ供給される燃焼ガスの温度は
低くなり、改質反応部の長寿命化やコストの低減を図る
ことができる。

【００２９】請求項６の発明では、請求項１、２、３、
４または５記載の燃料電池プラントにおいて、前記ＣＯ
変成器に低温ＣＯ変成触媒層と選択酸化触媒層とを一体
的に収納し、前記燃料電池本体から出た冷却水を前記低
温ＣＯ変成触媒層及び前記選択酸化触媒層へ通過させる
と共に、前記燃料電池の酸素極からの前記排空気を前記
選択酸化触媒層へと導くように構成したことを特徴とす
る。

【００３０】このような請求項６の発明では、ＣＯ変成
器の選択酸化触媒層にて燃料電池の酸素極からの排空気
を導き、ＣＯと酸素との反応を選択的になさしめること
ができる。したがって、燃料電池の水素極へ供給する改
質ガス中のＣＯ濃度を低減させることができる。また、
低温ＣＯ変成触媒層と選択酸化触媒層とを同一の容器に
一体的に収納しているので、機器の簡略化を図ることが
できる。また、燃料電池本体から出た冷却水によって各
触媒層を冷却するため、各触媒層の温度を触媒層の特性
を引き出すのに適切な温度に維持することができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】（１）第１の実施の形態 以下、本発明の第１実施の形態について、図１〜図４を
参照して具体的に説明する。第１実施の形態は請求項
１、２、３、５、６を包含するものであり、図１は第１
の実施の形態の機器構成及び各流体のフローを示す構成
図、図２、図３及び図４は第１の実施の形態における改
質器、バーナ及びＣＯ変成器の構成図である。なお、図
７にて示した従来例と同一の部材に関しては同一符号を
付し、説明は省略する。

【００３２】［構成の概要］図１に示すように、第１実
施の形態は固体高分子型燃料電池プラントであり、改質
器１３、ＣＯ変成器１４、燃料電池本体１５などの基本
的な構成は図７に示した従来のリン酸型燃料電池プラン
トとほぼ同じである。第１実施の形態の構成上の特徴
は、メタノール水溶液を原燃料とし、このメタノール水
溶液におけるメタノールと水との混合比を１：１．５〜
１：２．０とした点、および燃料電池本体１５の水素極
１６を通過した排燃料と燃料電池本体１５の酸素極１７
を通過した排空気とを取入れて燃焼ガスを生成するバー
ナ１８を備えた点である。

【００３３】［改質器１３の構成］…図２参照 改質器１３の構成については次のような特徴がある。す
なわち、改質器１３の外周部（より詳しくは改質器外胴
１３３と内胴１３４とで形成される環状通路部）にはメ
タノール水溶液の蒸発部及び過熱部である加熱管１２４
が螺旋状に組込まれており、改質器１３の中央部には改
質反応部である改質触媒層１３８が配設されている。ま
た、改質器１３上部にはガス入口１２５およびガス出口
１３２が形成されている。ガス入口１２５にはバーナ１
８が、ガス出口１３２には排空気予熱器２５がそれぞれ
接続されている。

【００３４】このような改質器１３ではガス入口１２５
から前記バーナ１８からの燃焼ガスが導入され、排空気
予熱器２５へと燃焼ガスが排出されるようになってい
る。このとき前記バーナ１８からの燃焼ガスは改質器１
３内において、まず加熱管１２４の周囲へ供給され、続
いて改質触媒１３８へと順次供給されるように構成され
ている。

【００３５】加熱管１２４の始端部にはメタノール水溶
液入口１２１が形成されており、ここに燃料供給ポンプ
１１が接続されている。また加熱管１２４の終端部には
メタノール蒸気出口１２２が形成されており、ここに配
管１２８が接続されている。改質器１３下部付近にはメ
タノール蒸気入口１２３が形成されており、ここに前記
配管１２８が接続されている。

【００３６】また、改質器１３の中央部には複数の改質
管１３５と複数の案内管１３６及び複数の中央管１３７
より構成される複数の反応管１３９が配設されている。
メタノール蒸気入口１２３は改質管１３５と中央管１３
７で形成される環状空間につながっており、この環状空
間に前記改質触媒層１３８が充填されている。さらに、
中央管１３７の終端部には改質ガス出口１３１が形成さ
れている。

【００３７】［バーナ１８の構成］…図３参照 バーナ１８にはバーナ燃料入口１８１、第１および第２
の排空気取入口１８２，１８３が形成されている。バー
ナ燃料入口１８１には燃料電池本体１５の水素極１６の
ガス出口側が接続されており、第１および第２の排空気
取入口１８２，１８３には排空気予熱器２５から予熱さ
れた排空気が導入されるようになっている。

【００３８】このバーナ１８は第１の排空気取入口１８
２から排空気を取入れ、バーナ燃料入口１８１から取入
れた排燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガ
スを第２の排空気取入口１８３から取入れた排空気によ
り希釈するように構成されている。このとき、第１の排
空気取入口１８２からの流量はバーナ燃焼ガス温度が約
１０００℃となるように調整される。また、第２の排空
気取入口１８３からの流量は希釈された燃焼ガスの温度
が最終的に６００〜６５０℃となるように調整される。

【００３９】なお、図３中の符号１８４はスタートバー
ナ取付座１８４である。このスタートバーナ取付座１８
４にはスタートバーナ（図示せず）が設置されるように
なっている。スタートバーナとはプラント起動時に改質
器１３に充填された触媒層１３８を２００〜３００℃に
昇温するための機器である。

【００４０】［ＣＯ変成器１４の構成］…図４参照 ＣＯ変成器１４において、上部には改質ガスを取込むガ
ス取入口１４６が形成され、下部には改質ガス中のＣＯ
濃度を低下させた燃料ガスを排出するガス排出口１４７
が形成されている。ガス取入口１４６には改質器１３の
改質ガス出口１３１が接続されており、ガス排出口１４
７には燃料電池本体１５の水素極１６のガス入口側が接
続されている。

【００４１】また、ＣＯ変成器１４には低温ＣＯ変成触
媒層１４１と選択酸化触媒層１４２が一体的に収納され
ており、両触媒層１４１，１４２の間には空間１４３が
確保されている。この空間１４３には排空気入口１４８
が形成されており、ここから排空気予熱器２５にて予熱
された排空気が空間１４３内に極微量導入されるように
なっている。

【００４２】さらに、選択酸化触媒層１４２及び低温Ｃ
Ｏ変成触媒層１４１内にはそれぞれ電池冷却水が流れる
冷却管１４４ａ及び１４４ｂが螺旋状に配設されてい
る。冷却管１４４ａ及び１４４ｂは互いに連結されてい
る。冷却管１４４ａの始端部には冷却水入口１４５ａが
形成されており、ここに電池冷却水ポンプ２１（図１に
図示）が接続されている。冷却管１４４ｂの終端部には
冷却水出口１４５ｂが形成されており、ここに電池冷却
水冷却器２８（図１に図示）に接続されている。

【００４３】［燃料処理系］続いて、第１の実施の形態
における燃料の流れについて図１に説明する。すなわ
ち、燃料供給ポンプ１１により昇圧されて、メタノール
水溶液（メタノールと水との混合比を１：１．５〜１：
２．０とする）がメタノール水溶液入口１２１から改質
器１３の加熱管１２４に入る。メタノール水溶液は該加
熱管１２４の管内を旋回、上昇しながら流れ、加熱管１
２４の周囲を流れるバーナ１８の燃焼ガスと熱交換して
蒸発し、過熱状態となって過熱メタノール蒸気となって
メタノール蒸気出口１２２に達する。

【００４４】過熱メタノール蒸気はメタノール蒸気出口
１２２からいったん改質器１３外へ出て、配管１２８を
経て改質器１３下部付近のメタノール蒸気入口１２３よ
り再び改質器１３へ入る。メタノール蒸気入口１２３よ
り再度改質器１３に入った過熱メタノール蒸気は改質管
１３５と中央管１３７との間に充填された触媒層１３８
を上昇しながら流れていき、水蒸気改質によって水素リ
ッチの改質ガスとなる。この改質ガスはＵターンして中
央管１３７を下降しながら流れ、改質ガス出口１３１を
経てＣＯ変成器１４へと流れる。

【００４５】以上のようなメタノールの水蒸気改質は、
既に述べたように（１）式のメタノール分解反応と、次
の（２′）式のＣＯシフト反応とが合成された（３）式
で示される。なお、式中のｍは化学反応に余剰な水蒸気
を示す。

【００４６】

【化３】 ＣＯ＋（１＋ｍ）Ｈ2 Ｏ →ＣＯ2 ＋Ｈ2 ＋ｍＨ2 Ｏ …（２′）

【化４】 ＣＯ3 ＯＨ＋（１＋ｍ）Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋３Ｈ2 ＋ｍＨ2 Ｏ…（３） 一般に、反応の化学量論ではメタノールと水蒸気の反応
は１モルで平衡する。しかし、水蒸気の量が少なすぎる
と平衡に達する余裕不足となる。一方、水蒸気の量が過
大すぎるとメタノール蒸発器の負荷（交換熱量）が増大
し不経済となる。第１の実施の形態ではメタノールと水
との混合比を１：１．５〜１：２．０となっているた
め、ｍ＝０．５〜１．０となり、水蒸気量として過不足
とならない。

【００４７】改質器１３の改質ガス出口１３１から出た
改質ガスは水素リッチではあるが、ＣＯ濃度は数パーセ
ントオーダである。そのため、燃料電池１５の水素極１
６に供給する前にＣＯ変成器１４にてＣＯ濃度を低下さ
せる。ＣＯ変成器１４では改質ガスが低温ＣＯ変成触媒
層１４１から選択酸化触媒層１４２へと順次流れる。ま
ず低温ＣＯ変成触媒層１４１の存在下でシフト反応を行
い、ＣＯ濃度は０．５パーセントのレベルまで低下す
る。また、両触媒層１４１，１４２間の空間１４３には
排空気予熱器２５から予熱された排空気を極微量導入し
ているので、選択酸化触媒層１４２の存在下で改質ガス
中のＣＯと排空気中の酸素を選択的に反応させ、最終的
にガス改質ガス中のＣＯ濃度を５０ｐｐｍ未満にまで低
下させることができる。このようにＣＯ変成器１４によ
ってＣＯ濃度の低下した改質ガスは燃料電池１５の水素
極１６に入り、酸素極１７を流れる空気中の酸素との反
応によって電力が発生する。

【００４８】［電池冷却水系］ところで、ＣＯ変成器１
４におけるＣＯシフト反応及び選択酸化反応は発熱反応
であり、しかも低温ＣＯ変成触媒層１４１では２００〜
２５０℃、選択酸化触媒層１４２では１００〜１５０℃
に改質ガス及び触媒の温度を保つ必要がある。そこで、
ＣＯ変成器１４では電池冷却水ポンプ２１で昇圧された
電池冷却水を冷却水入口１４５ａから取入れ、冷却管１
４４ａ及び１４４ｂへと順次流すことにより、触媒層１
４１，１４２及び改質ガスを冷却している。また、ＣＯ
変成器１４を通過して昇温した電池冷却水は冷却水出口
１４５ｂから出て、電池冷却水冷却器２８に入る。電池
冷却水冷却器２８は系統外の冷却水と熱交換して電池冷
却水を８０〜９０℃に冷やし、これを燃料電池１５に送
る。さらに、電池冷却水は、電池を冷却後、電池冷却水
系タンク１９に回収され、水回収タンク２７よりの排ガ
ス凝縮器２６での凝縮水と合流されて、電池冷却水とし
て電池冷却水ポンプ２１に導かれる。

【００４９】［燃料電池本体１５からの排ガス系］続い
て、燃料電池本体１５から排出される排燃料及び排空気
の流れについて説明する。まず、ガス水素極１６出口か
らの排燃料には未反応水素が残存するため、燃料入口１
８１からバーナ１８へ入り、バーナ燃料となる。一方、
酸素極１７を出た酸素を含む排空気は、排空気予熱器２
５に入る。排空気予熱器２５は改質器１３を出たバーナ
燃焼ガスとの熱交換によって排空気を予熱し、ほぼ二分
してバーナ１８の第１の排空気取入口１８２および第２
の排空気取入口１８３に送る。なお、前述したようにＣ
Ｏ変成器１４の空間１４３にも排空気予熱器２５が予熱
した排空気を極微量導入している。

【００５０】［バーナ１８からの燃焼ガス系］最後に、
バーナ１８によって生成された燃焼ガスの流れについて
述べる。バーナ１８では、まず燃料入口１８１よりの排
燃料と第１の排空気取入口１８２よりの排空気が燃焼し
て約１０００℃の燃焼ガスが生じる。しかる後に第２の
排空気取入口１８３よりの排空気が燃焼ガスを希釈し、
燃焼ガスの温度を６００〜６５０℃に低下させる。この
燃焼ガスは、改質器１３のバーナ燃焼ガス入口１２５を
経てメタノール蒸発部及び過熱部である加熱管１２４の
周囲に流れる。

【００５１】燃焼ガスは、燃焼ガス入口１２５を経て改
質器外胴１３３と内胴１３４で形成される環状通路部を
下向きに流れ、加熱管１２４の管内を流れるメタノール
水溶液を管外から加熱し、蒸発・過熱させる。メタノー
ル水溶液との熱交換によって温度の低下した燃焼ガス
は、改質管１３５と案内管１３６で形成される環状通路
部を上向きに流れ、改質管１３５の内部を流れる改質ガ
スの水蒸気改質反応に必要な熱を供給し、燃焼ガス出口
１３２を経て、排空気予熱器２５へと入る。排空気予熱
器２５では改質器１３からの燃焼ガスと燃料電池１５の
酸素極１７を出た排空気との熱交換を行う。この結果、
燃焼ガスの温度は低下し、排ガス凝縮器２６へと流入す
る。

【００５２】なお、固体高分子型燃料電池である燃料電
池本体１５では、多孔質の高分子膜を湿潤させている。
そのため、燃料電池本体１５での水素と酸素の反応によ
って生成される水とほぼ同量の水が電池冷却水から酸素
極１７へ移動し、排空気に混入する。このため、電池冷
却水量は湿潤に必要な水量分だけ減少する。したがっ
て、排ガス凝縮器２６において系統外の冷却水と熱交換
して排空気予熱器２５からの燃焼ガスを露点以下に冷却
し、不凝縮性ガスは大気に放出し、凝縮水は水回収タン
ク２７を経由して電池冷却系タンク１９に回収してい
る。

【００５３】［作用と効果］以上のような構成を有する
第１の実施の形態によれば、燃料電池本体１５の水素極
１６からの排燃料と酸素極１７からの排空気をバーナ１
８にて燃焼させ、この燃焼ガスによりメタノール水溶液
を加熱してメタノールの水蒸気改質を行うことができ
る。したがって、動作温度が低い固体高分子型燃料電池
を用いた燃料電池プラントであっても、メタノールを原
燃料として利用することが可能となる。

【００５４】また、メタノール水溶液におけるメタノー
ルと水との混合比を１：１．５〜１：２．０としている
ので、過不足のない水蒸気量を確保することができ、経
済的である。しかも、予めメタノールと水とを適切な混
合比に調節しているので、プラント運転負荷の急激な変
化に追随するに燃料流量のみを適切に制御することで対
応でき、燃料電池プラント制御系を容易に簡素化するこ
とができる。さらに、第１の実施の形態においては、蒸
発部及び過熱部となる加熱管１２４を改質器１３に組込
むと共に、ＣＯ変成器１４において低温ＣＯ変成触媒層
１４１と選択酸化触媒層１４２とを同一容器に収納する
ので、機器の簡略化を図ることができる。

【００５５】また、第１の実施の形態では、バーナ１８
からの燃焼ガスをまず加熱管１２４の周囲へ供給するの
で、ここで燃焼ガスの温度を低下させることができる。
しかもバーナ１８に導く排空気を二分して、一方の排空
気により燃焼ガスの温度を低下させている。このような
燃焼ガスの温度の低下により、触媒層１３８の寿命を延
ばすことが可能となる。その上、触媒層１３８の材料に
対する制約がなくなるのでコスト低減を進めることがで
きる。

【００５６】さらに第１の実施の形態では、ＣＯ変成器
１４の選択酸化触媒層１４２にてＣＯと酸素との反応を
選択的に行っているため、改質ガス中のＣＯ濃度をいっ
そう低減させることができる。また、冷却水によって各
触媒層１４１，１４２を冷却するため、各触媒層１４
１，１４２の温度を常に適切な温度に維持できる。

【００５７】（２）他の実施の形態 なお、本発明は以上のような実施の形態に限定されるも
のではなく、図５に示すような実施の形態も包含する。
この実施の形態は請求項４に対応するものであり、上述
したメタノール蒸発・過熱用の加熱管１２４を、蒸発器
用である加熱管１２６と過熱器用であるメタノール過熱
器１２に分割し、メタノール過熱器１２を改質器１３と
は別に独立して配置した点に特徴がある。

【００５８】この実施の形態では、メタノール水溶液は
燃料供給ポンプ１１で昇圧されてメタノール水溶液入口
１２１から改質器１３に入り、メタノール蒸発用である
加熱管１２６の管内を流動し、蒸発終了後、メタノール
蒸気出口１２２を経てメタノール過熱器１２に入る。メ
タノール過熱器１２ではバーナ１８よりの燃焼ガスと熱
交換して加熱され、過熱状態となって過熱メタノール蒸
気となり、再びメタノール蒸気入口１２３より改質器１
３に入る。以下の過熱メタノール蒸気の流れは上記第１
の実施の形態と同様である。

【００５９】また、バーナ１８からの燃焼ガスはまずメ
タノール過熱器１２に入り、ここで熱交換を行った後、
改質器１３の燃焼ガス入口１２５に入るようになってい
る。なお、改質器１３に入ってからの燃焼ガスの流れは
上記第１の実施の形態と同様であるため、ここでは省略
する。

【００６０】さらに、各機器の構成も適宜変更可能であ
り、例えば、図６に示す改質器１３では、メタノール蒸
気入口１２３と改質ガス出口１３１との位置を、上記第
１の実施の形態とは反対にして、上述の過熱メタノール
蒸気と燃焼ガスの流れ方向を対向させることも可能であ
る。すなわち、メタノール水溶液はメタノール水溶液入
口１２１より、改質器外胴１３３と内胴１３４より形成
される環状通路部に設置される螺旋状加熱管１２４の管
内を流れながら、燃焼ガスとの熱交換によって蒸発し、
過熱状態となって過熱メタノール蒸気となり、メタノー
ル蒸発出口１２２に入る。過熱メタノール蒸気は、配管
１２８を経由して改質器１３の最下部設置されたメタノ
ール蒸気入口１２３より再び改質器１３に入り、中央管
１３７の管内を上向きに流れる。そして過熱メタノール
蒸気は中央管１３７の最上部でＵターンして改質管１３
５と中央管１３７より形成される環状空間に充填された
触媒層１３８を下降しながら流れていき、改質ガス出口
１３１を経てＣＯ変成器１４へと流れていく。

【００６１】一方、加熱源である燃焼ガスは、バーナ燃
焼ガス入口１２５を経て、改質器外胴１３３と内胴１３
４より形成される環状通路を下向きに流れ、螺旋状加熱
管１２４の管内を流れるメタノール水溶液と熱交換し
て、これを蒸発・過熱させる。さらに、改質管１３５と
案内管１３６で形成される環状通路を上向きに流れ、燃
焼ガス出口１３２を経て排空気予熱器２５に入る。以上
のような構造をとる改質器１３は、改質器１３中央部に
改質反応部を配設し、改質器１３外周部にメタノール水
溶液の蒸発部及び過熱部を配設して、バーナ１８からの
燃焼ガスを蒸発部及び過熱部へ、さらには改質反応部へ
と順次流動せしめるという点では第１の実施の形態と同
様である。

【００６２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、メ
タノール水溶液を原燃料としてこれを加熱してメタノー
ルの水蒸気改質に必要な水蒸気を確保することにより、
コンパクトで低コスト化を図った燃料電池プラントを提
供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の機器構成及び各流
体のフローに関する構成図

【図２】第１の実施の形態における改質器の構成図

【図３】第１の実施の形態におけるバーナの構成図

【図４】第１の実施の形態におけるＣＯ変成器の構成図

【図５】本発明の他の実施の形態の機器構成及び各流体
のフローに関する構成図

【図６】他の実施の形態である改質器の構成図

【図７】従来のメタノールを燃料としてリン酸型燃料電
池と組み合わせた発電プラントの機器構成及び各流体フ
ローに関する構成図

【符号の説明】

１２…メタノール過熱器 １３…改質器 １４…ＣＯ変成器 １５…燃料電池本体 １６…水素極 １７…酸素極 １８…バーナ １９…水蒸気分離器 ２０…電気ブロワ ２１…電池冷却水ポンプ ２４…排燃料予熱器 ２５…排空気予熱器 ２６…排ガス凝縮器 ２７…水回収タンク ２８…タンク １２４…加熱管 １３３…改質器外胴 １３４…改質器内胴 １３５…改質管 １３６…案内管 １３７…中央管 １３８…改質触媒層 １３９…反応管 １４１…低温ＣＯ変成触媒層 １４２…選択酸化触媒層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気が供給される酸素極及び燃料ガスが
   供給される水素極を有し前記空気と前記燃料ガスとの電
   気化学反応によって電気エネルギー及び熱エネルギーを
   生成する燃料電池本体と、原燃料と水蒸気とを取入れて
   改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスを取入れ該
   改質ガス中のＣＯ濃度を低下させて前記燃料ガスを生成
   しこれを前記水素極に供給するＣＯ変成器と、前記酸素
   極に空気を供給する空気ブロワと、前記燃料電池本体に
   冷却水を供給する電池冷却水ポンプとを備えた燃料電池
   プラントにおいて、 メタノール水溶液を前記原燃料とし、 当該メタノール水溶液を蒸発させてメタノール蒸気を生
   成する蒸発部と、前記メタノール蒸気を過熱状態にして
   過熱メタノール蒸気を生成する過熱部とを設け、 前記改質器に前記過熱メタノール蒸気から前記改質ガス
   を生成する改質反応部を配設し、 前記水素極を通過した排燃料と前記酸素極を通過した排
   空気とを取入れて燃焼ガスを生成しこれを前記蒸発部、
   前記過熱部及び前記改質反応部に供給するバーナを備え
   たことを特徴とする燃料電池プラント。
2. 【請求項２】 前記メタノール水溶液におけるメタノー
   ルと水との混合比を１：１．５〜１：２．０としたこと
   を特徴とする請求項１記載の燃料電池プラント。
3. 【請求項３】 前記蒸発部及び前記過熱部として内部に
   前記メタノール水溶液が流れる加熱管を前記改質器に組
   込み、 前記燃焼ガスを、まず前記加熱管の周囲へ、続いて前記
   改質反応部へと順次供給するように構成したことを特徴
   とする請求項１または２記載の燃料電池プラント。
4. 【請求項４】 前記蒸発部及び前記過熱部の一方を前記
   改質器に組込み、 前記蒸発部及び前記過熱部の他方を前記改質器とは別に
   独立して設け、 前記燃焼ガスを、まず独立して設けられた前記蒸発部ま
   たは前記過熱部へ、続いて前記改質器に組込まれた前記
   蒸発部または前記過熱部へ、しかる後に前記改質反応部
   へと順次供給するように構成したことを特徴とする請求
   項１または２記載の燃料電池プラント。
5. 【請求項５】 前記バーナに第１および第２の排空気取
   入口を形成し、 前記第１の排空気取入口から取入れた排空気により前記
   排燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスを
   前記第２の排空気取入口から取入れた排空気により希釈
   するように構成したことを特徴とする請求項１、２、３
   または４記載の燃料電池プラント。
6. 【請求項６】 前記ＣＯ変成器に低温ＣＯ変成触媒層と
   選択酸化触媒層とを一体的に収納し、 前記燃料電池本体から出た冷却水を前記低温ＣＯ変成触
   媒層及び前記選択酸化触媒層へ順次通過させると共に、 前記燃料電池の酸素極からの前記排空気を前記選択酸化
   触媒層へと導くように構成したことを特徴とする請求項
   １、２、３、４または５記載の燃料電池プラント。