(57)【要約】【課題】ＣＯ除去器での余分な水素の消費を防止すること。【解決手段】炭素系燃料１３を改質して水素を含む反応ガスを発生させる改質器１と前記改質器１から排出される反応ガス中のＣＯをＨ２に変換するＣＯ変性器２と、前記ＣＯ変性器２から排出される反応ガスと酸素含有ガスとを反応させてＣＯ濃度を低減させる中濃度ＣＯ除去器３と、前記ＣＯ除去器３から排出される反応ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電を行う燃料電池５を備えてなる燃料電池発電システムにおいて、前記ＣＯ除去器３と前記燃料電池５の中間に、低濃度ＣＯを燃料電池に有害でないＣＯ濃度まで低減する低濃度ＣＯ除去装置４を配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系燃料を改質して水素を含む反応ガスを発生させる改質器と、前記改質器から排出される反応ガス中のＣＯをＨ２に変換するＣＯ変性器と、前記ＣＯ変性器から排出される反応ガスと酸素含有ガスとを反応させてＣＯ濃度を低減させる中濃度ＣＯ除去器と、前記中濃度ＣＯ除去器から排出される反応ガス中のＣＯを酸化除去する低濃度ＣＯ除去装置と、該低濃度ＣＯ除去装置の出口ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備えてなる燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、ＣＯ除去スタックはＣＯを消費しながら発電をするものであることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池発電システムにおいて、低濃度ＣＯ除去装置は、燃料電池の構成と基本的に同じであるスタックからなるものであることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、低濃度ＣＯ除去装置から取り出す電流及び電圧を制御する制御部を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１〜４もいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、低濃度ＣＯ除去スタックにより発電した電力を外部回路に供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、ＣＯ除去スタックから取り出す電流、電圧の値からＣＯ除去器出口ガスの性状を推定する演算部を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素系燃料と水蒸気により生成した水素を用いて発電する燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体高分子膜の電気化学的特性が向上したことにより、オンサイト型分散電源としての家庭用固体高分子形燃料電池発電システムの実現が期待されるようになってきた。この家庭用燃料電池発電システムの商用化時には従来の発電システムよりも高い効率が期待されており、高効率化のためにさまざまな提案がされている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池発電システムの一例として、Ｈ２とＯ２を電極上で反応させて、発電を行うシステムが良く知られている。燃料ガスのＨ２は、炭化水素系燃料を改質器で改質させることにより得られる。この改質器から供給される改質ガスには、水素の他にＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｈ２Ｏなどが含まれる。この改質ガスに含まれるＣＯは、固体高分子形燃料電池の性能低下の要因になるため、ＣＯをＨ２に変換するＣＯ変性器と改質ガスに空気を添加してＣＯを燃焼させＣＯ２にするＣＯ除去器を設けている。ＣＯ除去器から排出される改質ガスは加湿器で加湿し、燃料電池へ供給する。この改質ガスと空気により、固体高分子形燃料電池で発電を行う。
【０００４】
燃料電池発電システムにおける水素含有ガスから接触法によりＣＯを除去する技術が特開２００２−１２１００８号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１２１００８号公報（要約）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような従来技術では改質ガスに空気を導入した際にＣＯと共に燃料電池の燃料となるＨ２の一部も燃焼させてしまい、燃焼したＨ２は発電に寄与させることはできないという問題があった。
【０００７】
例えば、ＣＯ変性器出口の改質ガス中に含まれる１０００〜８０００ｐｐｍのＣＯを１０ｐｐｍ程度に除去するために、ＣＯ除去器にＣＯを燃焼させるのに必要な量論比以上の空気を導入する。このように過剰な空気を導入するために、ＣＯの燃焼に使われなかった空気は改質ガス中のＨ２を燃焼し、ＣＯ除去器出口のＨ２濃度はＣＯ変性器出口に加え１〜１０％程度減少する。
【０００８】
また、上記特許文献１に記載の方法では、触媒出口のＣＯ濃度は、ほとんどの場合１０ｐｐｍを超えている（表参照）。このような高濃度のＣＯを含む水素ガスを燃料電池に供給することは、燃料電池の効率を低下させることになる。
【０００９】
本発明の課題は、ＣＯ除去器に加える空気量を少なくすることにより、発電に寄与するＨ２量を増加させ、発電効率を向上させることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する手段として、炭素系燃料を改質して水素を含む反応ガスを発生させる改質器とこの改質器から排出される反応ガス中のＣＯをＨ２に変換するＣＯ変性器と、このＣＯ変性器から排出される反応ガスと酸素含有ガスとを反応させてＣＯ濃度を低減させる中濃度ＣＯ除去器と、このＣＯ除去器から排出される反応ガスと酸素含有ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備え、ＣＯ除去器と燃料電池の中間に、燃料電池に有害とならない程度にＣＯ濃度を低減する低濃度ＣＯ除去装置を配置した。ＣＯ除去スタックでＣＯを消費し、改質ガス中のＣＯ濃度を低減することが可能になるため、ＣＯ除去器では従来のように低いＣＯ濃度までＣＯを除去する必要がなくなる。このため、ＣＯ除去器に導入する空気量を低減することが可能となり、発電に寄与するＨ２量を増加させるとともに、ＣＯ除去スタックで発電した電気を補機動力、系統出力などとして使用することにより、発電効率を向上することができる。低濃度ＣＯ除去装置として燃料電池スタックと同様な構成を用いれば、発電とＣＯ濃度の低減が同時に進行し、特に好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池発電システムについて、図面を参照して説明する。
【００１２】
（実施例１）
本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を図１に示す。燃料電池５は燃料である水素と空気中の酸素を反応させて発電するものであり、例えば、固体高分子型燃料電池が用いられる。本発明の燃料電池発電システムは燃料電池５の燃料である水素を含む改質ガスを発生させる改質器１と、この改質器１で発生したガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ変性器２、ＣＯ除去器３、ＣＯ除去スタック４を備え、このＣＯを低減したガスを燃料電池５に供給するように構成されている。また、制御部７によりＣＯ除去スタック４の電流、電圧を制御し、発電された電気は外部回路９に供給される。演算部８によりＣＯ除去器３の出口ガス組成を推定し、改質器１の運転状況を把握するように構成されている。
【００１３】
以下、本実施形態の燃料電池発電システムの詳細構成について、動作と共に説明する。まず、本発明における要素ごとの主たる反応について説明する。
【００１４】
（１）改質器における反応；以下の反応が６００〜６５０℃において進行する。改質ガス中のＣＯ濃度は約数容積％である。
【００１５】
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
Ｈ２＋ＣＯ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ
（２）ＣＯ変成器における反応；以下の反応が約３００℃で進行し、高濃度ＣＯは、約０．５容積％（５，０００ｐｐｍ）まで低下する。
【００１６】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｈ２＋ＣＯ２
（３）中濃度ＣＯ除去器における反応；以下の反応が約１５０℃で進行し、ＣＯ濃度は約数百ｐｐｍとなる。従来技術においては、ＣＯ除去器からの排出ＣＯ濃度を、燃料電池に害のない１０ｐｐｍ以下にするために、過剰量の空気又は含酸素ガスを供給していたため、水素が消費されてしまう。本発明では、このＣＯ除去器でＣＯ濃度を数百ｐｐｍ程度におさえるため、余分な水素の消費がない。
【００１７】
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
（４）低濃度ＣＯ除去器における反応；以下の反応が約１００℃以下で起こり、ＣＯ濃度は１０ｐｐｍ以下となり、燃料電池に害のないＣＯ濃度となる。この反応はＣＯを吸着する触媒（例えば白金族元素）上で起こる。下記反応をまとめると、２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２であるが、ＣＯの消費が酸素ではなくて水蒸気によって行われるので、水素が余分に消費されない。
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【００１８】
以上のように、本発明はＣＯ除去のために、数千ｐｐｍのＣＯから数百ｐｐｍ程度の中濃度ＣＯに減らすための手段（中濃度ＣＯ除去器）と、数百ｐｐｍのＣＯを１０ｐｐｍ以下のＣＯ濃度に減らす手段（低濃度ＣＯ除去器）を用いたことが特徴である。
【００１９】
低濃度ＣＯ除去器としては、ＣＯを吸着して、水蒸気と反応させてＣＯ２に変換する方式であればよい。その代表的な例は、燃料電池の構成を利用したＣＯ除去スタックである。これを利用すると、ＣＯの除去と発電が行われ、無駄なくＣＯ除去ができる。
【００２０】
本発明において、低濃度ＣＯ除去器は燃料電池スタックに比べて容量は小さくてよく、例えば燃料電池の構成を利用した場合は、大まかに言って、約１０分の１程度の容量がよい。
【００２１】
以下、実施例を図面を用いて説明する。燃料電池５の燃料である水素を含む改質ガスを発生させる改質器１に空気１０と炭素系燃料１３と水１４を供給する。改質器１内部の燃焼部で発生する熱を利用して炭素系燃料１３を改質し、改質ガスを発生させる。この改質器で発生させた改質ガスはＣＯ変性器２に供給され、ＣＯをＨ２に変換する触媒を用いて改質ガス中のＣＯを以下の反応によりＨ２に変換し、上記のように改質ガス中のＣＯ濃度を１％以下に低減する。
【００２２】
ＣＯ変性器２から排出された改質ガスはＣＯ除去器３に供給され、ＣＯ濃度をさらに低下するために、空気１１を供給し、ＣＯを選択的に酸化する触媒を用いてＣＯをＣＯ２に変化させて改質ガス中のＣＯ濃度を数百ｐｐｍに低減する。ＣＯ除去器３から排出された改質ガスは低濃度ＣＯ除去装置であるＣＯ除去スタック４に供給され、改質ガス中のＣＯと加湿器６で加湿した空気中の酸素で発電を行い、改質ガス中のＣＯを十数ｐｐｍ以下又は１０ｐｐｍ以下に低減する。
【００２３】
また、発電した電気は外部回路９に供給され、燃料電池発電システムの補機動力、系統出力などによって消費される。ＣＯ除去スタック１４から排出される改質ガスおよび空気は、燃料電池５に供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素で発電を行う。
【００２４】
次に、本実施形態の特徴部であるＣＯ除去スタック１４について説明する。ＣＯ除去スタック１４の積層構成を図２に示す。ＣＯ除去スタック１４は燃料電池５とほぼ同様な構成となっている。その構成は電解質膜１５とそれを両側から挟むアノード１６（燃料極）とカソード１７（空気極）の両電極、さらにその外側に改質ガスおよび空気を流すためのガス流路を構成し、改質ガスと空気との混合を防止するガスセパレータ１９、改質ガスと空気の積層電池外部への漏洩およびマニホールド２２内での混合を防止するシール材１８とから構成される単位セル２０を形成している。
【００２５】
また、単位セルまたは複数の単位セルの積層体にはこれらの冷却のために冷却水セパレータ２１を配置する。単位セル２０と冷却水セパレータ２１を複数積層し、積層体の両端に締付板２３を配置して締付けてＣＯ除去スタック４を構成する。また、単位セル２０に改質ガスや空気を、冷却水セパレータ２１に冷却水を供給するために、シール材１８、ガスセパレータ１９、冷却水セパレータ２１、締付板２３にマニホールド２２が形成されている。
【００２６】
ＣＯ除去スタック１４の断面構成を図３に示す。ＣＯ除去スタック１４に供給された改質ガスと空気は、図３に示すようにマニホールド２２を通して各単位セル２０に供給される。ＣＯ除去スタックに供給された改質ガス中のＣＯは、アノード１６で酸化されＣＯ２に変化するため、改質ガス中のＣＯ濃度を低減することが可能となる。また、単位セル２０の電圧とＣＯ除去率には図４で示すような関係があるので、単位セルの電圧と負荷電流を制御することにより、ＣＯ除去率が高い領域でＣＯ除去スタックを運転することができる。
【００２７】
このときアノード１６の触媒としてはＣＯが吸着し易い白金などが望ましい。さらに、ＣＯ除去スタックではＣＯの酸化と同時に発電が行われるため、ここで生じた電力を燃料電池発電システムの補機動力、系統出力などに用いることにより、発電効率を向上させることができる。
【００２８】
ＣＯ除去スタックの負荷電流と単位セル電圧は各ＣＯ濃度で図５で示すような関係があるので、これらの関係からＣＯ除去器３出口のＣＯ濃度を演算部８で計算させ、ＣＯ除去器３からのＣＯ濃度が設定値以上になった場合には警報を出力することができる。
【００２９】
以上のように、ＣＯ除去器と燃料電池の中間にＣＯを消費しながら発電をする低濃度ＣＯ除去装置、特にＣＯ除去スタックを配置することにより、ＣＯ除去スタックでＣＯを消費し、改質ガス中のＣＯ濃度を低減することが可能になるため、ＣＯ除去器では従来のように低いＣＯ濃度までＣＯを除去する必要がなくなる。このため、ＣＯ除去器に導入する空気量を低減することが可能となり、発電に寄与するＨ２量を増加させるとともに、ＣＯ除去スタックで発電した電気を補機動力、系統出力などとして使用することにより、発電効率を向上するという効果が得られる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、水素ガスの消費を最低限に抑えて、ＣＯ濃度を低減でき、燃料電池の性能を維持することができる。また、低濃度ＣＯ除去装置として、燃料電池と同様の構成のスタックを用いると、ＣＯの低減と発電を同時に行えて、エネルギーの有効利用が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電システム主要部の一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態による低濃度ＣＯ除去スタックの全体構成の主要部を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の実施形態による低濃度ＣＯ除去スタックの全体構成の主要部を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態による低濃度ＣＯ除去スタックの単位セル電圧とＣＯ除去率の関係の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による低濃度ＣＯ除去スタックの各ＣＯ濃度における電流密度と単位セル電圧の関係の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…改質器、２…ＣＯ変性器、３…ＣＯ除去器、４…ＣＯ除去スタック、５…燃料電池、６…加湿部、７…制御部、８…演算部、９…外部回路、１０，１１，１２…空気、１３…炭素系燃料、１４…水、１５…電解質膜、１６…アノード、１７…カソード、１８…シール材、１９…ガスセパレータ、２０…単位セル、２１…冷却水セパレータ、２２…マニホールド、２３…締付板。
【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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