JPH11283656A

JPH11283656A - 燃料電池用燃料改質システム

Info

Publication number: JPH11283656A
Application number: JP10086321A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Tsuru; 潔都留; Masaru Ogawa; 賢小川; Yasumasa Morita; 泰正森田
Original assignee: Chiyoda Corp; Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Corp; Chiyoda Chemical Engineering and Construction Co Ltd
Current assignee: Chiyoda Corp; Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Corp; Chiyoda Chemical Engineering and Construction Co Ltd
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1999-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池本体が常圧系であるリン酸燃料電池
発電システムにおいて、従来よりコンパクトでかつコス
トが低減された燃料改質システムを提供する。【解決手段】常圧系のリン酸型燃料電池本体の燃料極
に供給する燃料を製造するために、原燃料を改質器及び
一酸化炭素変成器に順次流通させるように構成してなる
燃料改質システムにおいて、該改質器及び一酸化炭素変
成器の少なくとも一方が加圧系であることを特徴とする
燃料改質システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リン酸型燃料電池
発電システムに関する。より具体的には、本発明は、リ
ン酸型燃料電池本体の燃料極（アノード）に供給すべき
燃料ガスを製造するための燃料改質システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電は、発電効率が高く環境に
対する影響が少ない発電方式として注目されている。燃
料電池は、原理的には、水素と酸素とをそれぞれ燃料極
（アノード）及び空気極（カソード）に連続的に供給
し、両極間に電解質を配置することによって、両極に接
続した外部回路に直流の電流を取り出すものである。こ
れをリン酸型燃料電池を例にとって具体的に説明する
と、次の通りである。燃料極では白金触媒の作用により
水素がイオン化して水素イオンになり、電解質（この場
合はリン酸水溶液）中に移行する。Ｈ₂ −−＞２Ｈ⁺ ＋２ｅ^ーこのとき燃料極に残された電子は外部回路を通って空気
極に達する。一方、生成した水素イオンは電解質中を拡
散していき、同様に空気極に達する。こうして別の経路
を通って空気極に達した水素イオンと電子とは、白金触
媒の作用により空気極に供給された酸素と結合して水に
なる。２Ｈ⁺ ＋２ｅ^ー＋（１／２）Ｏ₂ −−＞Ｈ₂Ｏ従って、燃料極における反応と空気極における反応を合
わせると、１分子の水素と１／２分子の酸素とが結合し
て水になる反応になる。

【０００３】上記燃料極に供給する水素は、一般に天然
ガス等の炭化水素原料にスチームを添加して触媒の存在
下に熱分解することにより製造する。ＣＨ₄ ＋Ｈ₂Ｏ −−＞３Ｈ₂ ＋ＣＯＣＯ＋Ｈ₂Ｏ −−＞Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ このときの反応を水蒸気改質反応といい、このための設
備が燃料改質システムである。燃料改質システムは上記
改質反応を行うための改質器（リフォーマ）を中心とし
て構成されるが、その他に必要に応じて一酸化炭素変成
器や脱硫器を含んで構成される。上記の反応式からわか
るように、改質ガスは通常は水素、二酸化炭素及び一酸
化炭素を含む粗製水素であり、例えばリン酸型燃料電池
では一酸化炭素は白金触媒を被毒させるので、一酸化炭
素変成器においてスチームと反応させて二酸化炭素と水
素に変えるのである。ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ −−＞Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ なお脱硫器は、原料炭化水素中に硫黄が含まれると改質
触媒を被毒させることから、これを除去するために設け
られるものである。

【０００４】燃料電池には、電解質として何を用いるか
によって、アルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦ
Ｃ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体電解質型（ＳＯ
ＦＣ）、高分子型（ＰＦＣ）などの各種方式があるが、
それらのうちリン酸型は最も早くから実用化に向けての
開発が進められ、現在ではほぼ実用化の域に達したもの
である。リン酸型燃料電池本体は、一般に１気圧以下
（ゲージ圧）の作動圧力で運転される。これは、作動圧
力をこれ以上にする場合には、作動圧力と大気圧との差
が大きくなり、燃料電池のヘッダ部などから燃料ガスや
空気が漏れるおそれがあるため、燃料電池本体を圧力容
器に納める必要があることと、燃料極の出口圧力と空気
極の出口圧力との差が大きくなりそれらを仕切る電極材
料が破損するおそれがあるため、こうした極間差圧を
０．０３気圧以下（好ましくは０．０１気圧以下）にす
るように調整する手段が必要となることから、コストが
著しく増大するからである。また、作動圧力が１気圧以
下の場合には、電気事業法による規制が緩やかであると
いうメリットもあり、これらの点を考慮すると、作動圧
力を上げることによる発電効率のわずかな向上よりも、
作動圧力を１気圧以下に抑えることによるコスト低減の
メリットの方が大きいので、敢えて作動圧力を１気圧以
上とするような設計にはしていないのである。なお、上
記法規制との関係から、作動圧力が１気圧以下である系
を常圧系とよんでいる。従来からリン酸型では、燃料電
池本体に燃料ガスを供給する燃料改質システムも、燃料
電池本体にあわせ法規制の緩やかな常圧系となってい
る。これに対し、作動圧力が１気圧を超える系（例えば
溶融炭酸酸塩型）を加圧系とよび、さらに加圧系のう
ち、作動圧力が１〜１０気圧の系を中圧系、作動圧力が
１０気圧以上のものを高圧系とよぶことがあるが、燃料
電池発電システムにおいて１０気圧以上の作動圧力を採
用することは、特殊な場合を除いてまずないと考えてよ
い。

【０００５】図１は、従来のリン酸型燃料電池発電シス
テムにおける燃料ガスや空気の流れの典型的な例を示す
概略図である。燃料電池本体（スタック）１は、図にお
いて模式的に示されるように、燃料極（アノード）１
ａ、空気極（カソード）１ｂ、及び冷却器１ｃから構成
される。燃料極１ａに供給する燃料ガス（水素を主成分
とする）は、予熱した原燃料ガス（都市ガス１３Ａ）を
脱硫器２で脱硫した後、スチームを添加して改質器３及
び一酸化炭素（ＣＯ）変成器４に順次流通させることに
より製造する。改質器は、例えば、バヨネット型の触媒
管を複数本備えた反応室３ａと、反応室に熱を供給する
ための燃焼室３ｂとからなっており、触媒管内には改質
触媒を充填し、これに原燃料ガスとスチームとを流通さ
せて外部から加熱する構造を有する。ここで添加するス
チームは、市水を利用し水処理装置５及び水蒸気分離器
６を用いて製造する。燃料極１ａから排出された使用済
み燃料は未利用の水素を含んでいるので改質器のバーナ
で燃焼し、これにより改質反応に必要な熱を供給する。
一方、空気極１ｂには空気ブロワで空気を供給し、その
中に含まれる酸素を燃料電池反応に利用する。燃料電池
本体で発生した直流電力は必要によりインバータ７で交
流電力に変換して利用する。なお熱交換器８は、改質器
燃焼排ガスの熱により、改質器燃焼室に供給される燃料
ガス（燃料極からの排出ガス）と空気を予熱し、原燃料
ガスに添加するスチームを過熱するためのものである。
中圧の都市ガス１３Ａは通常約２気圧の供給圧をもって
いるが、従来は図１に示されるように、脱硫器２の入口
（即ち燃料改質システムの入口）で流量調整弁９により
１気圧以下に減圧し、それより下流側、即ち燃料改質シ
ステム全体及び燃料電池本体を常圧系としている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らが検討したところ、燃料電池本体が常圧系として運
転されるリン酸型の場合であっても、燃料改質系を加圧
型にすることにより数々のメリットが得られることが判
明し、特に燃料改質反応の効率が上がるため必要な触媒
量が小さくなることと、原燃料ガスが触媒層を通過する
際の単位長さ当たりの圧力損失が小さくなるため触媒管
の長さを大きくとれることとが相俟って、触媒管の本数
を大きく減らすことができることが判明したのである。
このメリットによる効果は、加圧系を採用することで法
規制による厳しい設計仕様が課せられることを考慮して
も、なおシステム全体として装置のコンパクト化及びコ
ストの低減が図れることを示唆するものであり、本発明
者らはこの点に鑑みて実験的検討を重ねた結果、本発明
を完成するに至ったものである。即ち、本発明は、燃料
電池本体が常圧系であるリン酸燃料電池発電システムに
おいて、従来よりコンパクトでかつコストが低減された
燃料改質システムを提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、常圧系のリン
酸型燃料電池本体の燃料極に供給する燃料を製造するた
めに、原燃料を改質器及び一酸化炭素変成器に順次流通
させるように構成してなる燃料改質システムにおいて、
該改質器及び一酸化炭素変成器の少なくとも一方が加圧
系であることを特徴とする燃料改質システムを提供し、
これにより上記課題を解決するものである。

【０００８】改質器における原燃料ガス（主としてメタ
ン）とスチームとの反応、及び一酸化炭素変成器におけ
る一酸化炭素とスチームとの反応は、いずれも加圧系を
採用することにより、常圧系に比べて反応効率が向上す
るが、前者の反応における反応効率の向上が著しい。従
って、本発明においては、特に改質器を加圧系にするこ
とが好ましい。

【０００９】また、改質器は一酸化炭素変成器より上流
側にあるので、改質器を十分な加圧下におくことによ
り、一酸化炭素変成器もそのままで加圧下におくことが
できる点からも、改質器を加圧系とすることが有利であ
る。この場合、改質器の入口側に都市ガス１３Ａを供給
することにすると、都市ガスの供給圧（約２気圧）を利
用して燃料改質システムを加圧系とすることができるの
で、別途に加圧装置を設ける必要がないという利点もあ
る。なお、改質触媒は一般に硫黄により被毒するので、
改質器の前段に脱硫器を設けることが好ましいが、その
場合には、脱硫器の入口側に上記都市ガス１３Ａを供給
すればよい。

【００１０】なおリン酸型の場合には、燃料電池本体を
加圧系にすることは、前記したように、発電効率が若干
高いこと以外にメリットがなく、逆に極間差圧の厳密な
制御が必要であったり、収納用の圧力容器が必要であっ
たり、プラント構成が複雑になるといった種々のデメリ
ットがあるため、あまり好ましくない。

【００１１】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の実施の形態の典
型的な例を示す模式図である。図２の構成は図１とほと
んど同じであり、このため図１と同一の構成要素には同
一の符号を付している。図２の構成が図１の構成と異な
る点は、図１において脱硫器の入口側に設けられていた
流量調整弁９に代わり、圧力調整弁１０が燃料電池本体
１の燃料極１ａの入口側（即ち燃料改質システム全体の
出口側）に設けられている点である。このため図２の構
成においては、脱硫器２、改質器３、ＣＯ変成器４など
で多少の圧力損失があるとしても、燃料改質システム全
体が都市ガス１３Ａの供給圧のために約１〜２気圧の加
圧系（中圧系）となっている。

【００１２】

【実施例】実施例１〜４、比較例１本発明者らは、約１〜２気圧の加圧下で所期の改質反応
がどのように進行するかを、改質器の実験プラントを用
いて調べた。実験条件は表１に示す通りであるが、従来
の常圧系（０．８１ｋｇ/ｃｍ²Ｇ）の圧力条件で行った
ものを比較例１とし、これに対して約１〜２気圧の加圧
系（１．２、１．６、１．８及び２．０ｋｇ/ｃｍ²Ｇの
４種類）の圧力条件で行ったものを実施例１〜４とし
た。原料ガスとしては中圧都市ガス（天然ガス１３Ａ）
を用い、これにスチームをＳ／Ｃ比３．０で添加して、
改質触媒の存在下８００℃で水蒸気改質を行った。その
結果を表２に示す。また表２中に示された、改質ガス中
のメタン残量、原料転換率、ＣＨ₄ アプローチ温度、触
媒層ＳＶ、及び触媒層圧力損失については、それらと改
質圧力との関係を図３〜図７に示す。ここにおいて、改
質ガス中のメタン残量とは、改質ガスから湿分を除いた
ものに対する（即ちドライベースでの）メタンの含有率
を表すものであり、原料転換率とは、改質ガス中のメタ
ンのモル流量と原料ガス中のカーボンのモル流量との比
を１から引いた値であり、即ち次の式で表されるηのこ
とである。 η＝１−（改質ガス中のメタン）／（原料ガス中のカー
ボン）また、ＣＨ₄ アプローチ温度とは、当該改質反応におけ
る平衡到達度を表す尺度であって、その絶対値が小さい
ほど平衡状態との差が小さい（即ち平衡到達度が高い）
ことを示している。触媒層ＳＶは、改質ガス中の水素及
び一酸化炭素の触媒単位充填量に対する流量（生産量）
である。

【００１３】

【表１】

【００１４】

【表２】

【００１５】図３〜図６から、改質性能は明らかに改質
圧力に依存し、改質圧力の上昇とともに改質性能（改質
反応の進行度）が向上することがわかる。そして、改質
圧力１気圧付近における改質性能の向上の割合はきわめ
て大きく、改質圧力が２気圧に近づくと改質性能の向上
の割合は小さくなることもわかる。換言すると、改質圧
力を１気圧以上に上げるメリットは大きいが、さらに２
気圧以上に上げるメリットは小さいといえる。また、図
７からは、触媒層圧力損失が改質圧力の上昇とともに低
下することがわかる。これは、改質圧力の上昇とともに
原料ガス及び改質ガスのモル体積が減少し、これに従っ
てそれらのガスの体積流量が低下するためである。

【００１６】実施例５、比較例２上記実施例３（改質圧力１．８ｋｇ/ｃｍ²Ｇ）及び比較
例１（改質圧力０．８１ｋｇ/ｃｍ²）の結果に基づい
て、それぞれの改質圧力を採用した場合について５００
０ｋｗ級リン酸型燃料電池発電システムに使用する改質
器の仕様を求め、両者を比較した。実施例３及び比較例
１の圧力条件で改質を行うものをそれぞれ実施例５及び
比較例２とし、その結果を表３に示す。表３に示すよう
に、改質温度、Ｓ／Ｃ比、改質触媒の種類、及び触媒管
の形式と太さは、実施例１〜４及び比較例１の場合と同
じにした。また、原料転換率は両例とも比較例１（常圧
系）の値に揃えた。即ち、実施例５における原料転換率
（従って改質ガス中メタン残量）は実施例３と同じにし
たのではなく、比較例１と同じになるようにＳＶ（従っ
て触媒量）を調整した。さらに、触媒層圧力損失につい
ては、実施例１〜４及び比較例１の場合より大きい値を
両例に共通して設定した。即ち、改質器としての性能を
共通とした。

【００１７】

【表３】

【００１８】表３からわかるように、同一の改質度を達
成するために必要な改質器仕様は、改質圧力０．８１ｋ
ｇ/ｃｍ²Ｇの常圧系を採用する場合と１．８ｋｇ/ｃｍ²
Ｇの加圧系を採用する場合とで大きく異なり、加圧系を
採用した場合には、触媒量を低減させることができると
同時に触媒層長を増大させることができ、これにより触
媒管の本数を大幅に減らすことができるという大きなメ
リットがあることが明らかである。即ち、加圧系改質器
においては、常圧系と比べて、同一性能を達成する場
合、若干触媒管長は増大するが、その本数が大幅に減少
するので、サイズのコンパクト化及びコスト削減が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の燃料改質システムを示す。

【図２】本発明の燃料改質システムを示す。

【図３】改質ガス中メタン残量と改質圧力との関係を
示す。

【図４】原料転換率と改質圧力との関係を示す。

【図５】ＣＨ₄ アプローチ温度と改質圧力との関係を
示す。

【図６】ＳＶ（水素＋ＣＯ基準）と改質圧力との関係
を示す。

【図７】触媒層圧力損失と改質圧力との関係を示す。

【符号の説明】

１燃料電池本体（スタック）１ａ燃料極（アノード）１ｂ空気極（カソード）１ｃ冷却器２脱硫器３改質器３ａ反応室３ｂ燃焼室４ＣＯ変成器５水処理装置６水蒸気分離器７インバータ８熱交換器９流量調整弁１０圧力調整弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者都留潔東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者小川賢大阪府大阪市北区中之島三丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者森田泰正神奈川県横浜市鶴見区鶴見中央二丁目12番１号千代田化工建設株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】常圧系のリン酸型燃料電池本体の燃料極
に供給する燃料を製造するために、原燃料を改質器及び
一酸化炭素変成器に順次流通させるように構成してなる
燃料改質システムにおいて、該改質器及び一酸化炭素変
成器の少なくとも一方が加圧系であることを特徴とする
燃料改質システム。
【請求項２】該改質器が加圧系である請求項１記載の
システム。
【請求項３】該改質器及び一酸化炭素変成器がいずれ
も加圧系である請求項１記載のシステム。
【請求項４】原燃料の供給圧力で該加圧系を加圧する
請求項２又は３記載のシステム。
【請求項５】該改質器の上流側に脱硫器が設けられた
請求項１〜４のいずれか記載のシステム。