(57)【要約】【課題】燃料電池による発電において、新たな動力源を追加することなく、燃料をリサイクルできるようにする。【解決手段】燃料電池発電システムは、冷却水供給装置８と、原燃料供給源３０から供給された原燃料に含まれる硫黄を除去する脱硫器２と、脱硫された原燃料を改質して所定の濃度の水素を含有する燃料ガスを生成する燃料処理装置３と、冷却水供給装置８によって供給される冷却水の一部によって駆動されて、燃料ガスの一部を脱硫器２と原燃料供給源３０との間に送るエゼクタ１６と、燃料処理装置３から燃料ガスを受け取る燃料極６１、酸化剤ガスを受け取る酸化剤極６２、および、冷却水供給装置８によって供給される冷却水によって周囲を冷却する冷却水系６３を備えた燃料電池本体６と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池によって発電する燃料電池発電システムにおいて、
冷却水供給装置と、
原燃料供給源と、
前記原燃料供給源から供給された原燃料に含まれる硫黄を除去する脱硫器と、
前記脱硫器によって硫黄が除去された原燃料を改質して所定の濃度の水素を含有する燃料ガスを生成する燃料処理装置と、
前記冷却水供給装置によって供給される冷却水の一部によって駆動されて、前記燃料ガスの一部を前記脱硫器と前記原燃料供給源との間に送るエゼクタと、
前記燃料処理装置から前記燃料ガスが導入される燃料極、酸化剤ガスが導入される酸化剤極、および、前記冷却水供給装置によって冷却水が導入される冷却水系を備えた燃料電池本体と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記エゼクタから送られる前記燃料ガスに含まれる水分を分離するドレンセパレータを有し、そのドレンセパレータで水分が分離された残りの燃料ガスが前記脱硫器に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記ドレンセパレータが分離した水分を回収する回収手段を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記回収手段が回収した水分が、前記冷却水供給手段に供給されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記回収手段が回収した水分が、前記燃料処理装置に供給されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記ドレンセパレータと前記エゼクタは一体として形成されていることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして、燃料電池発電システムが知られている。燃料電池発電システムは、燃料である水素と、酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて、直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができる。しかも、このような燃料電池発電システムは、大気汚染物質の排出が少なく、騒音も小さい。このため環境性に極めて優れている。
【０００３】
燃料電池発電システムにおいて、原燃料のガスは脱硫器に供給され、原燃料中の硫黄が除去されて燃料処理装置に導かれる。燃料処理装置では、脱硫された原燃料ガスが、水との化学反応により改質され、水素リッチな燃料ガスとなる。燃料ガスは燃料電池本体の燃料極へ導かれる。酸素を含む大気などの酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給装置によって、酸化剤極に導かれる。燃料電池本体は、これらの燃料ガスおよび酸化剤を用いて発電する。
【０００４】
このような燃料電池発電システムにおいて、脱硫器に水添脱硫剤を用いる場合、水素リッチとなった燃料ガスの一部をリサイクルして原燃料に添加する必要がある。燃料ガスの一部をリサイクルするためには、リサイクルラインにブロアを設置するか、燃料処理装置下流圧力が原燃料ラインとリサイクルラインの合流点圧力よりも常に高くなるように原燃料ラインとリサイクルラインの合流点上流にオリフィスを設置するといった手法がとられる。さらには、燃料処理装置の上流に蒸気エゼクタを設置し、燃料処理装置に供給される蒸気を駆動原として原燃料およびリサイクルした改質ガスを吸引するといった手法もある（たとえば特許文献１および特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２３６７４号公報
【特許文献２】特開平８-２２８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した燃料ガスのリサイクル方法においては、次のような課題がある。
【０００６】
リサイクルラインにブロアを設置する場合、リサイクルする燃料ガス中に水分が含まれるため、安定した燃料ガスリサイクルを実現するためには高価なブロアが必要となる。このブロアを駆動するための動力が必要であるため、燃料電池発電システムの全体としての発電効率が低下する。また、機器点数が増加することによりシステム信頼性が低下するおそれがある。
【０００７】
原燃料ラインとリサイクルラインの合流点上流にオリフィスを設置する場合には、燃料電池発電システムの負荷変動により原燃料の流量が変化するため、全ての負荷帯で安定した燃料ガスのリサイクルを実現することが困難である。また、燃料処理装置の下流側の圧力が原燃料ラインとリサイクルラインの合流点圧力よりも低くなった場合には、原燃料がリサイクルラインを逆流してしまう。
【０００８】
燃料処理装置に供給される蒸気を駆動源とした蒸気エゼクタを家庭用向けなどの小型の燃料電池発電システムに適用する場合には、蒸気エゼクタ駆動原とするのに十分な高圧蒸気を生成させることができない。また、燃料処理装置が装置内部で蒸気を生成させる構造の場合には、蒸気発生器が新たに必要となる。このため、機器点数、制御点数が増加し、燃料電池発電システム全体のコストアップ、信頼性の低下につながる。
【０００９】
そこで、本発明は、燃料電池による発電において、新たな動力源を追加することなく、燃料をリサイクルできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するため、本発明は、燃料電池によって発電する燃料電池発電システムにおいて冷却水供給装置と、原燃料供給源と、前記原燃料供給源から供給された原燃料に含まれる硫黄を除去する脱硫器と、前記脱硫器によって硫黄が除去された原燃料を改質して所定の濃度の水素を含有する燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記冷却水供給装置によって供給される冷却水の一部によって駆動されて、前記燃料ガスの一部を前記脱硫器と前記原燃料供給源との間に送るエゼクタと、前記燃料処理装置から前記燃料ガスが導入される燃料極、酸化剤ガスが導入される酸化剤極、および、前記冷却水供給装置によって冷却水が導入される冷却水系を備えた燃料電池本体と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池による発電において、新たな動力源を追加することなく、燃料をリサイクルできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る燃料電池発電システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る第１の実施の形態における燃料電池発電システムのブロック図である。
【００１４】
燃料電池本体６は、燃料極６１および酸化剤極６２を有している。燃料極６１には、燃料処理装置３が接続されている。酸化剤極６２には、ガス供給装置５が接続されている。
【００１５】
燃料処理装置３には脱硫器２を介して原燃料供給装置１が接続されている。原燃料供給装置１には原燃料供給源３０が接続されている。原燃料供給源３０は、たとえば都市ガスを供給する配管や、液化プロパンガスのタンクである。原燃料供給装置１およびガス供給装置５は、たとえばブロワである。
【００１６】
燃料処理装置３には、ポンプなどの改質水供給装置４も接続されている。改質水供給装置４の上流側には、たとえば水槽などの改質水供給源３１が接続されている。
【００１７】
また、燃料電池本体６は、冷却水系６３を有している。冷却水系６３には、冷却水供給装置８を介して水タンク７が接続されている。冷却水供給装置８は、たとえばポンプである。冷却水系６３は、熱交換器９に接続されていて、熱交換器９は水タンク７に接続されている。熱交換器９には、排熱回収ライン１０を介して貯湯槽１１も接続されている。
【００１８】
都市ガスなどの原燃料は、原燃料供給装置１によって昇圧された後に、脱硫器２に供給される。脱硫器２は、原燃料ガスに含まれる硫黄を除去する。脱硫器２には、水添脱硫剤が充填されている。脱硫された原燃料のガスは、燃料処理装置３に導かれる。燃料処理装置３は、改質水供給装置４によって供給される改質用の水と、原燃料のガスとを化学反応させて改質し、所定の濃度以上の水素を含有する、水素リッチな燃料ガスを生成する。
【００１９】
燃料ガスは、燃料電池本体６内部の燃料極６１へ導かれる。また、酸化剤ガス供給装置５は、酸化剤ガスである大気を吸引して、燃料電池本体６内部の酸化剤極６２に供給する。燃料電池本体６は、これらの燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する。燃料極６１から排出されるガス（アノード排ガス）、および、酸化剤極６２から排出されるガス（カソード排ガス）は、燃料処理装置３の昇温のために用いられる。
【００２０】
水タンク７から冷却水供給装置８によって燃料電池本体６の冷却水系６３に供給された冷却水は、燃料電池本体６を冷却し、その冷却水の温度は上昇する。冷却水系６３から排出される冷却水は、熱交換器９を介して排熱回収ライン１０を流れる流体を加熱し、その流体は貯湯槽１１に熱を蓄える。
【００２１】
燃料電池発電システムは、燃料処理装置３から燃料極６１に供給される燃料ガスの一部をエゼクタ１６に送るエゼクタ吸引ライン２０を有している。エゼクタ１６には、冷却水系６３に供給される水の一部をエゼクタ１６に供給するように、冷却水供給装置８の吐出部がエゼクタ供給水ライン１７を介して接続されている。冷却水供給装置８とエゼクタ１６との間には、オリフィス１９およびエゼクタ供給水遮断弁１８が挿入されている。
【００２２】
エゼクタ１６の出口から延びるリサイクルライン１２は、原燃料供給源３０と原燃料供給装置１との間に接続されている。リサイクルライン１２の途中には、ドレンセパレータ２１が挿入されている。ドレンセパレータ２１とエゼクタ１６の間には、燃料リサイクルライン遮断弁１３が挿入されている。リサイクルライン１２が原燃料供給源３０と原燃料供給装置１との間に接続される手前には、燃料リサイクルライン逆止弁１５が挿入されている。また、ドレンセパレータ２１は、水タンク７よりも高い位置に配置され、ドレンセパレータ２１と水タンク７の間には、ドレン回収ライン２２が延びている。
【００２３】
燃料ガスのリサイクルを開始する信号が燃料電池システム制御装置（図示せず）から伝達されると、燃料リサイクルライン遮断弁１３およびエゼクタ供給水遮断弁1８が開く。これにより、オリフィス１９にて流量調整されたエゼクタ供給水が、エゼクタ１６の駆動源として供給される。その際に燃料処理装置３によって水素リッチとなった燃料ガスが、エゼクタ吸引ライン２０を介してエゼクタ１６に吸引される。
【００２４】
水素リッチとなった燃料ガスは、エゼクタ１６の排出部からリサイクルライン１２を介して、原燃料供給装置１の上流側に戻され、原燃料供給源３０から供給される原燃料と混合されて原燃料供給装置１によって脱硫器２に供給される。脱硫器２は、原燃料に混合された水素ガスを利用して、水添脱硫剤によって脱硫する。
【００２５】
エゼクタ１６から排出される水素リッチとなった燃料ガスには、エゼクタ１６を駆動するための水などの水分が含まれる。その水分は、ドレンセパレータ２１によって分離され、ドレン回収ライン２０を介して、水タンク７に回収される。
【００２６】
本実施の形態の燃料電池発電システムでは、冷却水系６３に供給する冷却水を駆動源としてエゼクタ１６を駆動するため、リサイクルライン１２に新たにブロアを設置する必要がない。このため、機器点数の増加によるシステム信頼性の低下を抑制でき、原燃料流量の変動に左右されることのない、安価で安定した燃料ガスリサイクルシステムを実現できる。
【００２７】
また、原燃料供給装置１への水分の混入が抑制され、原燃料供給装置１を安定して運用することができる。また、脱硫器２に充填される脱硫剤の種類によっては、脱硫剤に水分が導入されることにより、硫黄除去性能が低下する場合があるが、このような硫黄除去性能の低下を抑制することができる。
【００２８】
なお、燃料極６１における燃料ガス利用率を高めるために、燃料極６１から排出されるアノード排ガスを燃料極６１の上流にリサイクルするシステムに、本実施の形態と同様に冷却水供給装置８の吐出部からの供給水を駆動原とするエゼクタを適用することもできる。これにより、安定したアノード排ガスをエゼクタに吸引することで、アノード排ガスリサイクルを実現することも可能である。
【００２９】
［第２の実施の形態］
図２は、本発明に係る第２の実施の形態の燃料電池発電システムのブロック図である。
【００３０】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、第１の実施の形態の燃料電池発電システムにおけるドレンセパレータの代わりに凝縮器３２を用いる。凝縮器３２には、排熱回収ライン１０の貯湯槽１１の下流側から、貯湯槽１１で熱を回収された流体が流れるようになっている。
【００３１】
また、改質水供給装置４と燃料処理装置３の間に、ドレン回収ライン２３を、逆止弁２４を介して接続している。これにより、凝縮器３２で分離された水は、改質水供給装置４から供給される水とともに燃料処理装置３に供給される。
【００３２】
このように、エゼクタ１６から排出される燃料ガスに含まれるエゼクタ１６を駆動するための水などの水分を、凝縮器３２によって分離して、原燃料ガスの改質に用いることができる。このため、改質水供給装置４の駆動力を増やすことなく燃料処理装置３に供給する改質水の量を増やすことができる。たとえば、改質水供給装置４としてポンプを用いる場合には、ポンプの回転数を高めることなく改質水の量を増加させることができる。したがって、改質水量を増加させるために改質水供給装置４の駆動力を増加することで発電効率が低下することもない。改質水の量を増加させることで、燃料処理装置３に充填される触媒の高寿命化が期待できる。
【００３３】
［第３の実施の形態］
図３は、本発明に係る第３の実施の形態の燃料電池発電システムのブロック図である。
【００３４】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、第２の実施の形態におけるエゼクタおよび凝縮器の代わりに、ドレンセパレータ一体型エゼクタ２５を用いる。ドレンセパレータ一体型エゼクタ２５は、ドレンセパレータの中にエゼクタを配置して、一体としたものである。
【００３５】
このように、エゼクタとドレンセパレータを一体型とすることで、燃料電池発電システム内の配管構造を簡潔にすることができる。このため、燃料電池発電システム全体の容量を小さくすることができる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、冷却水供給装置８を冷却水系６３の下流側に設置し、水タンク７を冷却水系６３に直接接続している。このような配置であっても、冷却水系６３に冷却水を供給することは可能である。
【００３７】
なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池発電システムのブロック図である。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態の燃料電池発電システムのブロック図である。
【図３】本発明に係る第３の実施の形態の燃料電池発電システムのブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…原燃料供給装置、２…脱硫器、３…燃料処理装置、４…改質水供給装置、５…酸化剤ガス供給装置、６…燃料電池本体、７…水タンク、８…冷却水供給装置、９…熱交換器、１０…排熱回収ライン、１１…貯湯槽、１２…燃料リサイクルライン、１３…燃料リサイクルライン遮断弁、１５…燃料リサイクルライン逆止弁、１６…エゼクタ、１７…エゼクタ供給水ライン、１８…エゼクタ供給水遮断弁、１９…オリフィス、２０…エゼクタ吸引ライン、２１…ドレンセパレータ、２２，２３…ドレン回収ライン、２４…ドレン回収ライン逆止弁、２５…ドレンセパレータ一体型エゼクタ、３０…原燃料供給源、３１…改質水供給源、３２…凝縮器、６１…燃料極、６２…酸化剤極、６３…冷却水系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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