(57)【要約】【課題】燃料発電装置の起動時における改質器燃焼排ガス中のＣＯ濃度の低減を図る。【解決手段】炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒層と、燃焼排ガスにより改質触媒を加熱するバーナと、バーナに燃焼用の燃料および空気を供給する燃料供給路および燃焼用空気路とを有する改質器１１と、さらに、水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給し、電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池１０とを備えた燃料電池発電装置において、バーナから排出される燃焼排ガスの流路上にＣＯ燃焼触媒２０を備え、さらに、燃料改質器起動時にＣＯ燃焼触媒を昇温するヒータ２０ａを備えたものとし、バーナにおける燃焼開始前に、ヒータにより、少なくとも１００℃にＣＯ燃焼触媒２０を昇温する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒層と、燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱するバーナと、前記バーナに燃焼用の燃料および空気を供給する燃料供給路および燃焼用空気路とを有する燃料改質器と、さらに、前記水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給し、電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、
前記バーナから排出される燃焼排ガスの流路上にＣＯ燃焼触媒と、前記燃料改質器起動時に前記ＣＯ燃焼触媒を昇温するヒータとを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電装置において、改質用水を前記燃焼排ガスと熱交換させて前記改質用水蒸気を発生させる水蒸気発生器を備え、前記ＣＯ燃焼触媒は、前記水蒸気発生器と燃料改質器本体との間の燃焼排ガス流路上に配設し、前記ヒータは電気ヒータとしたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池発電装置の起動方法であって、前記バーナにおける燃焼開始前に、前記ヒータにより、少なくとも１００℃に前記ＣＯ燃焼触媒を昇温することを特徴とする燃料電池発電装置の起動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池に供給して発電を行なう燃料電池発電装置とその起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。
【０００３】
この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。
【０００４】
また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に行なうには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。
【０００５】
一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とする方法が、通常採用されている。
【０００６】
図２は、都市ガスを原燃料とする従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例であって、主に燃料改質系に着目した基本的な系統図である（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
図２において、模式的に示した燃料電池１０は、燃料極１０ａと空気極１０ｂとを有する単位セルを複数個重ねる毎に冷却管または冷却溝を有する図示しない冷却板を配設，積層することにより構成されている。
【０００８】
原燃料はまず改質用水蒸気とともに改質器１１に供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素に改質される。
【０００９】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ  （吸熱反応）
その後、この改質ガスは、ＣＯ変成器１２に供給され、以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は１％程度まで低減される。
【００１０】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２  （発熱反応）
その後、さらにＣＯ除去器１３に供給され、以下の反応により、改質ガス中の一酸化炭素は１０ｐｐｍ程度まで低減された後、燃料電池の燃料極１０ａに供給される。
【００１１】
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２  （発熱反応）
上記の如く、改質器１１において改質反応を行う場合、水蒸気を供給する必要があり、固体高分子型燃料電池発電装置では、その熱源として改質器１１の燃焼排ガスの顕熱，ＣＯ変成器１２及びＣＯ除去器１３の反応熱を利用するのが一般的である。そのため、ポンプにて供給される改質用水を、ＣＯ変成器１２，ＣＯ除去器１３，水蒸気発生器１４の各反応器を直列に順次流すための改質用水蒸気供給ライン１５を設け、前記各反応器から熱を受けて水蒸気とし、この水蒸気と原燃料とを混合して、改質用水蒸気供給ライン１５から改質器１１へ導入する構成としている。
【００１２】
又、上記の各反応器は触媒による化学反応を行うため、燃料電池発電装置の起動時には、適正な温度に予め昇温する必要がある。
各反応器の適正な温度は以下のとおりである。改質器：５００〜７００℃、ＣＯ変成器：２００〜３００℃、ＣＯ除去器：１００〜２５０゜Ｃである。
【００１３】
このため、改質器１１は、原燃料を改質器内に設置されているバーナで燃焼させることで昇温しており、その燃焼排ガスにより水蒸気発生器１４も昇温されている。一方、ＣＯ変成器１２とＣＯ除去器１３とは、それぞれが個々に備える電気ヒータ１２ａおよび１３ａにより昇温している。なお、起動後の定常運転時には、燃料電池から排出される余剰のオフ水素を前記バーナで燃焼させて、改質反応に必要な熱を供給するようにするのが通例である。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２８８（第２−３頁、図２）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のような従来の燃料電池発電装置においては、その起動時に、下記のような問題点があった。
【００１６】
燃料電池発電装置を起動する場合、前述のように、まず原燃料を改質器内に設置されているバーナで燃焼させることで、その燃焼排ガスにより改質器本体および改質触媒層等を昇温する。この燃焼排ガス中には、人体や家畜に有害なＣＯが含まれているが、今後の燃料電池発電装置の普及の拡大化に伴い、燃料電池発電装置の排出ガスに関しても、ＣＯ濃度規制の実施が想定される。
【００１７】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、発電装置の起動時における改質器燃焼排ガス中のＣＯ濃度の低減を図った燃料電池発電装置とその起動方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒層と、燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱するバーナと、前記バーナに燃焼用の燃料および空気を供給する燃料供給路および燃焼用空気路とを有する燃料改質器と、さらに、前記水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給し、電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、前記バーナから排出される燃焼排ガスの流路上にＣＯ燃焼触媒と、前記燃料改質器起動時に前記ＣＯ燃焼触媒を昇温するヒータとを備えたものとする（請求項１の発明）。
【００１９】
上記構成によれば、燃料電池発電装置の起動時に、燃焼排ガス中におけるＣＯが、ＣＯ燃焼触媒により除去され、排出される燃焼排ガス中のＣＯ濃度を低減することができる。前記ＣＯ燃焼触媒が機能するためには、起動初期において、ＣＯ燃焼触媒自体も所定の温度以上に加熱しておく必要があるが、前記請求項１の発明によれば、ＣＯ燃焼触媒を昇温するヒータを備えたものとしたので、起動初期から、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を低減することが可能となる。バーナ点火時点から、ある程度の時間経過後は、ＣＯ燃焼触媒は燃焼排ガスによって加熱されて、ＣＯ燃焼触媒が機能する温度を維持できるようになるので、バーナ点火時点から、所定時間経過後は、前記ヒータの稼動を停止することができる。
【００２０】
また、前記請求項１記載の燃料電池発電装置において、改質用水を前記燃焼排ガスと熱交換させて前記改質用水蒸気を発生させる水蒸気発生器を備え、前記ＣＯ燃焼触媒は、前記水蒸気発生器と燃料改質器本体との間の燃焼排ガス流路上に配設し、前記ヒータは電気ヒータとする（請求項２の発明）。前記ＣＯ燃焼触媒は、燃料改質器本体内に組み込むことができ、また前記ヒータはＣＯ発生の問題のない、例えばスチーム等の他の熱源が使用可能ではあるが、前記請求項２の発明により、装置構成が全体的にシンプルとなる。
【００２１】
さらに、前記発明の燃料電池発電装置の起動方法としては、下記請求項３の発明が好適である。即ち、前記請求項１または２に記載の燃料電池発電装置の起動方法であって、前記バーナにおける燃焼開始前に、前記ヒータにより、少なくとも１００℃に前記ＣＯ燃焼触媒を昇温することとする。
【００２２】
ＣＯ燃焼触媒が機能するためには、ＣＯ燃焼触媒の温度を１００〜２００℃とする必要がある。燃焼初期の炉内が冷えている状態では、燃焼排ガス温度も低いため、ＣＯ燃焼触媒は機能せず、ＣＯが流出してしまうことになるが、前記バーナにおける燃焼開始前に、外部からＣＯ燃焼触媒に熱を加え、少なくとも１００℃に維持することにより触媒を機能させ、起動初期から燃焼排ガス中のＣＯ濃度を低減できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００２４】
図１は、この発明に関わる実施例を示す系統図であり、図２と同じ機能を有する部材には同一の番号を付して説明を省略する。図１と図２との相違点は、図１においては、図２に対して、さらに、部番２０のＣＯ燃焼触媒および部番２０ａの電気ヒータを備える点である。
【００２５】
即ち、図１の燃料電池発電装置においては、ＣＯ燃焼触媒２０が、水蒸気改質用の水蒸気発生器１４と改質器１１本体との間の燃焼排ガス流路上に配設され、また、前記ＣＯ燃焼触媒２０には、電気ヒータ２０ａが設けられている。この構成により、改質器１１のバーナにおける燃焼開始前に、電気ヒータ２０ａによりＣＯ燃焼触媒を１００〜２００℃に予備加熱することにより、起動初期から燃焼排ガス中のＣＯ濃度を低減できる。なお、ＣＯ燃焼触媒としては、前記ＣＯ除去器用触媒と同様の触媒、例えば白金触媒が使用できる。
【００２６】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒層と、燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱するバーナと、前記バーナに燃焼用の燃料および空気を供給する燃料供給路および燃焼用空気路とを有する燃料改質器と、さらに、前記水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給し、電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、前記バーナから排出される燃焼排ガスの流路上にＣＯ燃焼触媒と、前記燃料改質器起動時に前記ＣＯ燃焼触媒を昇温するヒータとを備えたものとし、
前記バーナにおける燃焼開始前に、前記ヒータにより、少なくとも１００℃に前記ＣＯ燃焼触媒を昇温することにより、発電装置の起動時における改質器燃焼排ガス中のＣＯ濃度の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池発電装置の実施例を示す系統図
【図２】従来の燃料電池発電装置の一例を示す系統図
【符号の説明】
１０：燃料電池、１１：改質器、１２：ＣＯ変成器、１３：ＣＯ除去器、１４：水蒸気発生器、１５：改質用水蒸気供給ライン、２０：ＣＯ燃焼触媒、２０ａ：電気ヒータ。
【図１】
2004296396.tif 000003
【図２】
2004296396.tif 000004