(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、この燃料電池本体を収容する格納容器と、前記燃料電池本体に供給する改質ガスを生成する改質器とを有する燃料電池発電プラントであって、触媒燃焼器と除湿装置とを備え、前記改質器の燃焼部から排出される排ガスと前記改質器の改質部から排出される改質ガスとを前記触媒燃焼器中で燃焼させ、前記触媒燃焼器から排出される排ガスを前記除湿装置によって除湿した後パージガスとして前記格納容器へ供給することを特徴とする燃料電池発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池発電プラントに係り、特に燃料電池本体を収容する格納容器にパージガスを供給する燃料電池発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に燃料電池発電プラントは、電池外部から燃料と酸化剤とを連続的に供給し、その燃料の酸化によって生ずる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変化させるものである。
【０００３】
この燃料電池発電プラントは、通常、図５に示すように化学反応により電流を発生させる燃料電池本体１とこの燃料電池本体１に供給する燃料ガスを発生する改質器５とを備えている。
【０００４】
改質器５は改質管からなる改質部５ａとバーナからなる燃焼部５ｂとを備え、改質部５ａには改質用燃料と水蒸気との混合ガスが導入され、改質部５ａ内で加熱され、水素リッチなガスに改質され、導管１２を通じて燃料電池本体１の燃料極３に供給される。
【０００５】
燃料電池本体１は、燃料極３と酸化剤極４を備え、また、燃料電池本体１を収容する格納容器２により周囲環境から隔離されている。
【０００６】
酸化剤極４には酸素や空気等の酸化剤が導管１４から供給され、水素リッチガスと酸化剤とは燃料電池本体１の中で反応した後、それぞれ排燃料、排酸化剤となり導管１６，１７を通じて排出され、改質器５の燃焼部５ａに供給される。燃焼部５ａに導入された排燃料と排酸化剤は、燃焼部５ａ内で燃焼し、改質管５ａを加熱すると同時に排ガスを生成し、生成された排ガスは導管２０を通じて系外に放出される。
【０００７】
また、燃焼部５ｂからの排ガスの一部はパージガスとして導管２１を通じて格納容器２に供給される。格納容器２を通過したパージガスは導管１５を通じて排出され、排酸化剤の導管１７と合流する。
【０００８】
一般に燃料電池本体１の燃料極３と酸化剤極４には十分なガスシール性を持たせているが、長期運転による経年変化等により、燃料電池本体１から燃料や酸化剤が格納容器１内に漏出し滞溜する場合がある。この場合予期しない異常反応を生じる危険があるので、上述の様に、格納容器２は定期的にあるいは常時パージされるようになっている。
【０００９】
パージガスとしては燃料や酸化剤との反応性がない窒素等の不活性ガスが望ましいが、大量の窒素を高圧ガスとして貯蔵すること、又は極低温液体として貯蔵することは容易ではない。
【００１０】
そこで、上記の様に、このパージガスとして改質器５の燃焼部５ｂの排ガスを利用することが知られている（特開平２−２２６６６４号公報参照）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、改質器５の燃焼部５ｂからの排ガスは水分や残燃焼分の可燃性成分や酸素成分を一部含んでいる。プラントの負荷レベルにより改質器バーナの燃焼量が大きく異なるため、これらの残存成分は一般に負荷レベルに応じ、また過渡期にも大きく変動する。従って、プラントの運転状況によっては定常的にあるいは過渡的に排ガスの可燃性成分や酸素成分が基準値を超えてしまいこのため格納容器中のパージガスが燃料電池本体１中に漏入した燃料及び酸化剤と異常な反応をして危険をもたらす恐れがある。
【００１２】
そこで本発明の目的は、上記従来技術が有する問題を解消し、燃料電池本体１の格納容器２に供給されるパージガスの中に含まれる水分や可燃性成分や酸素成分を確実に除去し、格納容器を安全に効率的にパージすることを可能にした燃料電池発電プラントを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による燃料電池発電プラントは、燃料電池本体と、この燃料電池本体を収容する格納容器と、前記燃料電池本体に供給する改質ガスを生成する改質器とを有する燃料電池発電プラントであって、触媒燃焼器と除湿装置とを備え、前記改質器の燃焼部から排出される排ガスと前記改質器の改質部から排出される改質ガスとを前記触媒燃焼器中で燃焼させ、前記触媒燃焼器から排出される排ガスを前記除湿装置によって除湿した後パージガスとして前記格納容器へ供給することを特徴とする。
【００１４】
【作用】
改質器の燃焼部から排出される排ガスと改質器の改質部から排出される改質ガスとを触媒燃焼器中で燃焼させ、この触媒燃焼器から排出される排ガスを除湿装置によって除湿した後パージガスとして格納容器へ供給する。
【００１５】
【実施例】
以下に本発明による燃料電池発電プラントの実施例を図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明の第１実施例乃至第３実施例を図１乃至図４を参照して説明する。第１実施例乃至第３実施例は以下に記載するような従来の問題点を解決するものである。
【００１７】
すなわち、改質器５の燃焼部５ｂに供給される燃料極３からの排燃料の主成分が水素であることから燃焼部５ｂの燃焼排ガスは一般に水分含有率が１０〜２０％程度と高い。このようなガスを燃料電池本１の格納容器２のパージガスとして用いると、図６に示すようにパージガス入り口管２１あるいは格納容器２の局部における放熱によって、容易にガス中水分が凝縮しドレンが発生するという問題点があった。
【００１８】
例えば、系内の運転圧力がこのようなプラントでの一般的な値である５ａｔａであるとすると、パージガス中の２０％の水分分圧は１ａｔａとなり、１００℃の飽和圧に相当する。すなわち、パージガス入り口管２１や格納容器２の局部で１００℃以下になる箇所があればそこでドレンが発生することになる。
【００１９】
パージガス入り口管２１、ブロワ２３あるいは格納容器２（図６参照）の何れにおいてもドレンの発生は有害である。すなわち、バージガス入り口管２１でのドレン閉塞により、パージガス流がなくなると燃料電池本体の安全性の問題がある。
【００２０】
また、ブロワ２３のインペラに対しドレンアタックが生じるとブロワ破損の危険性がある。さらに格納容器２内で凝縮水が生じて一般に高電位にある燃料極３、空気極４と接地電位にある格納容器２との間の絶縁が不良になった場合には、異常な接地電流が流れるため発電運転は続けられない。したがって、パージガス中のドレン発生は、燃料電池発電プラントの信頼性を低下させる危険性があったのである。
【００２１】
以下に本発明の第１実施例乃至第３実施例を説明する。
まず、本発明の第１実施例を図１及び図２を参照して説明する。
図１において、燃料電池本体１は、燃料極３と空気極としての酸化剤極４とを有して成り、さらにこの燃料電池本体１を収容して周囲環境から隔離するために格納容器２が設けられている。燃料電池の発電運転中は燃料極３と空気極４との間に起電力が生じるため、一般にこれらの積層体である燃料電池本体１は大地に対し高電位にあるのに対し、格納容器２は安全のため接地され、大地電位にある。一方、改質器５は改質部５ａと燃焼部５ｂより構成され、改質部５ａへは導管１９を通じて天然ガスやメタノールなどの改質用燃料が水蒸気とともに供給されて水蒸気改質により水素リッチな改質ガスが生成される。この改質ガスはさらに導管１２を通じて、燃料極３に供給される。燃料電池本体１内ではこの改質ガスと、空気極４へ導管１４を通じて酸化剤として供給される空気とが反応した後、消費されずに残った分はそれぞれ排燃料と排空気として導管１５，１６を通じて排出される。改質器５の燃焼器５ｂは、燃焼による発生熱を水蒸気改質のための改質熱量として改質部５ａに与える機能を持つが、燃料電池プラントの効率を高めるために燃焼器５ｂ用の燃料として燃料極３の排燃料を導管１６ａを通じて供給する。燃焼部５ｂの燃焼用空気は導管１４ａにより供給される。燃焼部５ｂで燃焼した排ガスは導管２０を通じて系外へ排出されるが、その一部は燃料電池本体１の格納容器２へパージガス入り口管２１上のブロワ１１を経て供給され、格納容器１ｃを通過したパージガスは導管１２を通じて排出される。
ここまでは、図６に示す従来の燃料電池発電プラントの場合と同様である。
【００２２】
除湿装置２２の具体的な構成例としては、化学的な水分吸収剤や水分吸着剤、あるいは水分分離膜などを適用することができる。
【００２３】
パージガスとして格納容器２に供給する燃焼部５ｂの排ガスの一部を除湿装置２２に流通させる。除湿装置２０を流通した排ガスの含有水分率は低下するので、多量のドレンの発生を防止することができる。
【００２４】
除湿装置２２の除湿レベルを適切に選ぶことによって、パージガス中の水分飽和温度を常温以下にまで低下させることができる。この場合には、パージガス入り口管２１、ブロワ２３、または格納容器２の一部または全体で放熱による温度低下があったとしてもドレンが生じることがない。この結果、パージガス中のドレン発生を防止することができる。
【００２５】
図２において、パージ入り口管２１に触媒燃焼器２４と触媒燃焼器２４の下流側に除湿装置２２とが設けられている。
【００２６】
改質器５の燃焼部５ｂから排出される排ガスの一部が導管２１を通じて触媒燃焼器２４へ供給される。また、触媒燃焼器２４における燃焼用の燃料として、改質器５の改質部５ａから排出される改質ガスの一部が導管１２ｃを通じて触媒燃焼器２４へ供給される。そして燃焼部５ｂから排出される排ガス中に残存する酸素成分は触媒燃焼器２４の中で、改質部５ａから排出される改質ガスと反応して二酸化炭素等になる。なお、触媒燃焼器２４における燃焼用の燃料として、燃料電池本体１の燃料極３からの排燃料の一部を用いることも可能である。
【００２７】
触媒燃焼器２４から排出される排ガスを除湿装置２２およびブロワ２３を経て燃料電池本体１の格納容器２へパージガスとして供給する。
【００２８】
次に本実施例の作用について説明する。
一般に燃料電池発電プラントにおいて改質器５の燃焼部５ｂから排出される排ガスの一部を格納容器２のパージガスとして用いるためには、排ガス中の水分濃度や残留酸素濃度ができるだけ小さいことが望ましい。
【００２９】
一方、燃焼部５ｂにおける燃焼量はプラントの負荷レベルにより大きく異なり、また過渡的な変化によっても変動する。このため、燃焼部５ｂにおける安定した燃焼を常に行うためには、燃焼用の空気を導管１４ａを通じて相当量過剰に供給しなくてはならない場合がある。
【００３０】
この場合には燃焼部５ｂから排出される排ガス中の水分濃度や残存酸素濃度は、パージガスとして用いるのに適切なほどは小さくならない。
【００３１】
図２に示すように本実施例においては、パージガス入り口管２１に触媒燃焼器２４を設け、改質器５の燃焼部５ｂから排出される排ガス中の残留酸素成分を触媒燃焼器２４において消費する。この結果、触媒燃焼器２４から排出される排ガスを安全上十分な低濃度もしくは酸素成分を含まないパージガスとして格納容器２へ供給することができる。
【００３２】
なお、この場合において、触媒燃焼器２４での反応生成水がその排出ガスに加わる。このため、触媒燃焼器２４から排出される排出ガス中の含有水分率は改質器の燃焼部５ｂからの排ガス中の含有水分率よりも高くなり、ドレンが発生する危険性がさらに高まる。しかし、本実施例においては、触媒燃焼器２４の下流側に除湿装置２２を設けているので、除湿装置２２を出た後のパージガス中の含有水分率を低下させることができる。これによって、パージガス中のドレンが発生することを防止することができる。
【００３３】
本実施例の構成によれば、パージ入り口管２１に触媒燃焼器２４と触媒燃焼器２４の下流側に除湿装置２２とを設けたので、改質器５の燃焼部５ｂにおける安定した燃焼を行うために燃焼用の空気を導管１４ａを通じて相当量過剰に供給したとしても、触媒燃焼器２４から排出される排ガスを安全上十分な低濃度もしくは酸素成分を含まないパージガスとして格納容器２へ供給することができる。
また、この場合においてパージガス入り口管２１に触媒燃焼器２４を設けても下流側に除湿装置２２を設けているので、配管部、ブロワ２３、または格納容器２の内部でドレンによる悪影響を生じることがない。この結果、高い信頼性の実現を可能とした燃料電池発電プラントを提供することができる。
【００３４】
次に本発明の第２実施例を図３を参照して説明する。
図３に本発明に係る燃料電池発電プラントにおける除湿装置２２の他の具体的な構成例を示す。図３においては、パージガスを凝縮器２５、気水分離器２６、熱交換器２７に通流させることにより、ガス中水分の除去を行う構成としている。パージカスは凝縮器２５で冷却されて気水分離器２６でドレイン分離された後、熱交換器２７で再熱されて過熱ガスとして送出される。従って、下流側でドレンを生じる心配がない。
【００３５】
このような除湿装置２２の構成を用いることにより、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
次に本発明の第３実施例を図４を参照して説明する。
図４に本発明に係る燃料電池発電プラントにおける除湿装置２２のさらに他の具体的な構成例を示す。本実施例においては、図３における凝縮器２５と気水分離器２６の代わりにコンタクトクーラ２８が設けられている。この場合は、パージガスはコンタクトクーラ２８でドレン分離された後、熱交換器２７で再熱されて過熱ガスとして送出される。
【００３７】
このような除湿装置２２の構成を用いることにより、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パージ入り口管に触媒燃焼器と除湿装置とを設けたので、改質器の燃焼部における安定した燃焼を行うために燃焼用の空気を過剰に供給したとしても、触媒燃焼器から排出される排ガスを安全上十分な低濃度もしくは酸素成分を含まないパージガスとして格納容器へ供給することができ、またパージガス中の水分を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による燃料電池発電プラントの第１実施例を説明するための系統図。
【図２】  同燃料電池発電プラントの第１実施例を示す系統図。
【図３】  本発明による燃料電池発電プラントに用いる除湿装置の具体的構成を示す第２実施例を示す図。
【図４】  同燃料電池発電プラントに用いる除湿装置の他の具体的構成を示す第３実施例を示す図。
【図５】  従来の燃料電池発電プラントを示す系統図。
【図６】  従来の他の燃料電池発電プラントを示す系統図。
【符号の説明】
１  燃料電池本体
２  格納容器
３  燃料極
４  酸素剤極
５  改質器
５ａ  改質部
５ｂ  燃焼部
１０  ガス分離装置
１１  ブロワ
１２  導管
１２ａ  導管
１２ｂ  導管
１２ｃ  導管
１２ｄ  導管
１２ｅ  導管
１３  導管
１４  導管
１５  導管
１６  導管
１７  導管
１８  導管
１９  導管
２０  導管
２１  パージガス入り口管
２２  除湿装置
２３  ブロワ
２４  触媒燃焼器
２５  凝縮器
２６  汽水分離器
２７  熱交換器
２８  コンタクトクーラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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