(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系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、電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池発電装置において、
前記水蒸気改質用の改質器と、改質ガス中のＣＯ濃度を低減させるためのＣＯ変成器およびＣＯ除去器と、供給水から前記改質器の燃焼排ガスの顕熱により改質用水蒸気を発生させる水蒸気発生器とを備え、
かつ、前記供給水を、前記ＣＯ変成器，ＣＯ除去器，水蒸気発生器に順次直列に通流し、水蒸気発生器から導出した水蒸気を原燃料と混合して前記改質器へ通流する改質用水蒸気供給ラインと、
前記改質用水蒸気供給ラインにおける水蒸気発生器の水蒸気出口部と、前記ＣＯ変成器の供給水入口部とを接続してなり、燃料電池発電装置の起動時に、供給水を水蒸気発生器出口から前記ＣＯ変成器およびＣＯ除去器に還流するための改質用供給水再循環ラインと、
前記改質用供給水再循環ラインと改質用水蒸気供給ラインのいずれかに供給水の通流を切り替えるための切替制御弁と、
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、原燃料の一部を前記改質器の燃焼排ガスに混合して水蒸気発生器に供給するための原燃料補給ラインと、この原燃料補給ライン上に設けた開閉弁とを備え、かつ、前記水蒸気発生器はその内部に前記燃焼排ガス中の残存酸素により原燃料を燃焼させるための燃焼触媒を備え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記載の燃料電池発電装置の起動方法であって、燃料電池発電装置の起動時に、前記改質器の燃焼排ガスを水蒸気発生器に供給した状態で、この燃焼排ガスによって加熱された前記供給水を改質用供給水再循環ラインに通流して、前記ＣＯ変成器およびＣＯ除去器を昇温させ、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器が所定の温度に到達した後、前記供給水の通流を、前記改質用水蒸気供給ラインに切り替えることを特徴とする燃料電池発電装置の起動方法。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池発電装置の起動方法であって、燃料電池発電装置の起動時に、前記原燃料補給ライン上に設けた開閉弁を開として原燃料を前記改質器の燃焼排ガスに混合し、この混合ガスを水蒸気発生器に供給した状態で、この混合ガスによって加熱された前記供給水を改質用供給水再循環ラインに通流して、前記ＣＯ変成器およびＣＯ除去器を昇温させ、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器が所定の温度に到達した後、前記供給水の通流を、前記改質用水蒸気供給ラインに切替え、さらに、前記原燃料補給ライン上に設けた開閉弁を閉として水蒸気発生器への原燃料補給を停止することを特徴とする燃料電池発電装置の起動方法。
【請求項５】
請求項３または４記載の燃料電池発電装置の起動方法において、前記改質用供給水再循環ラインは、前記ＣＯ変成器およびＣＯ除去器をそれぞれ個別にバイパスするバイパスラインと、各バイパスラインへの切替弁とを備え、ＣＯ変成器またはＣＯ除去器のいずれかの反応器が所定の温度に到達した時には、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の過昇温を防止するために、前記所定温度に到達した反応器をバイパスラインに切り替えて供給水の通流を行なう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。
【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100ppm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。
【００１４】
【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、下記のような問題点があった。
【００１５】
起動時に、電気ヒータによりＣＯ変成器及びＣＯ除去器を昇温する場合、前記各反応器の外側からマントルビータ等で熱するだけでは十分に内部の触媒を昇温出来ないため、触媒層内部にシースヒータ等を設置する必要がある。そのため、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の触媒層内には、起動昇温用のヒータと通常運転時に発熱反応による加熱を防止するための冷却管の両方を適切に配置する必要があり、構造が複雑になる問題があった。又、起動時間を短縮させるためには、ヒータ容量を増やす必要があり、起動時に過大な電力が必要となる等の問題があった。
【００１６】
この発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の構造の簡略化と、発電装置の起動時における消費電力の低減と、起動時間の短縮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。
【００１７】
【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、電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池発電装置において、前記水蒸気改質用の改質器と、改質ガス中のＣＯ濃度を低減させるためのＣＯ変成器およびＣＯ除去器と、供給水から前記改質器の燃焼排ガスの顕熱により改質用水蒸気を発生させる水蒸気発生器とを備え、かつ、前記供給水を、前記ＣＯ変成器，ＣＯ除去器，水蒸気発生器に順次直列に通流し、水蒸気発生器から導出した水蒸気を原燃料と混合して前記改質器へ通流する改質用水蒸気供給ラインと、前記改質用水蒸気供給ラインにおける水蒸気発生器の水蒸気出口部と、前記ＣＯ変成器の供給水入口部とを接続してなり、燃料電池発電装置の起動時に、供給水を水蒸気発生器出口から前記ＣＯ変成器およびＣＯ除去器に還流するための改質用供給水再循環ラインと、前記改質用供給水再循環ラインと改質用水蒸気供給ラインのいずれかに供給水の通流を切り替えるための切替制御弁とを備えたものとする（請求項１の発明）。
【００１８】
上記構成によれば、燃料電池発電装置の起動時に、供給水を水蒸気発生器出口からＣＯ変成器およびＣＯ除去器に還流することにより、燃焼排ガスの顕熱を供給水を媒体として、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の昇温に利用することが可能となる。その結果、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の起動用電気ヒータが不要となる。
【００１９】
さらに、前記請求項１記載の燃料電池発電装置において、原燃料の一部を前記改質器の燃焼排ガスに混合して水蒸気発生器に供給するための原燃料補給ラインと、この原燃料補給ライン上に設けた開閉弁とを備え、かつ、前記水蒸気発生器はその内部に前記燃焼排ガス中の残存酸素により原燃料を燃焼させるための燃焼触媒を備えたものとする（請求項２の発明）。
【００２０】
上記のように、水蒸気発生器の燃焼排ガス流路内に燃焼触媒を設置し、燃焼排ガス中の残存酸素と原燃料を触媒燃焼させることにより、起動時の還流供給水の温度を上昇させることができ、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の起動時間を短縮することが可能となる。
【００２１】
前記請求項１または２記載の燃料電池発電装置の起動方法としては、下記請求項３または４記載の発明が好適である。即ち、請求項１記載の燃料電池発電装置の起動方法であって、燃料電池発電装置の起動時に、前記改質器の燃焼排ガスを水蒸気発生器に供給した状態で、この燃焼排ガスによって加熱された前記供給水を改質用供給水再循環ラインに通流して、前記ＣＯ変成器およびＣＯ除去器を昇温させ、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器が所定の温度に到達した後、前記供給水の通流を、前記改質用水蒸気供給ラインに切り替えることとする（請求項３の発明）。
【００２２】
また、前記請求項２記載の燃料電池発電装置の起動方法であって、燃料電池発電装置の起動時に、前記原燃料補給ライン上に設けた開閉弁を開として原燃料を前記改質器の燃焼排ガスに混合し、この混合ガスを水蒸気発生器に供給した状態で、この混合ガスによって加熱された前記供給水を改質用供給水再循環ラインに通流して、前記ＣＯ変成器およびＣＯ除去器を昇温させ、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器が所定の温度に到達した後、前記供給水の通流を、前記改質用水蒸気供給ラインに切替え、さらに、前記原燃料補給ラインの開閉弁を閉として水蒸気発生器への原燃料補給を停止することとする（請求項４の発明）。
【００２３】
さらに、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の過昇温を防止する上で、下記請求項５の発明が好ましい。即ち、請求項３または４記載の燃料電池発電装置の制御方法において、前記改質用供給水再循環ラインは、前記ＣＯ変成器およびＣＯ除去器をそれぞれ個別にバイパスするバイパスラインと、各バイパスラインへの切替弁とを備え、ＣＯ変成器またはＣＯ除去器のいずれかの反応器が所定の温度に到達した時には、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の過昇温を防止するために、前記所定温度に到達した反応器をバイパスラインに切り替えて供給水の通流を行なうこととする。
【００２４】
【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。
【００２５】
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、概ね、図１においては、図２に対して、さらに、部番１ないし８の配管系統及び部材を備える点である。
【００２６】
即ち、まず、起動時に供給水を循環するために、水蒸気発生器１４出口からポンプ入口に戻す改質用供給水再循環ライン1と、冷却水を循環させる場合と改質用水蒸気として供給する場合とに切り替えるための切替制御弁としての遮断弁２及び遮断弁３を追加している。起動時、改質器１１のバーナで燃焼した燃焼排ガスは水蒸気発生器１４において、供給水と熱交換することで顕熱を奪われた後、排気される。
【００２７】
この際、遮断弁３は閉とし遮断弁２を開とすることで、供給水を循環することが出来、この供給水は水蒸気発生器１４内部で昇温された後、ＣＯ変成器１２およびＣＯ除去器１３に熱を与えて水蒸気発生器１４に戻ってくる。この方法により改質器燃焼排ガスの顕熱で、水蒸気発生器１４、ＣＯ変成器１２，ＣＯ除去器１３を昇温することが可能となり、燃焼排ガスの顕熱は今まで以上に有効利用されることとなる。
【００２８】
一方、通常運転時は、上記とは逆に、遮断弁３は開とし遮断弁２を閉とすることで、ＣＯ変成器１２，ＣＯ除去器１３の反応熱及び水蒸気発生器１４内の燃焼排ガス顕熱を利用して水蒸気を発生させ改質器１１へ供給出来る。なお、前記遮断弁２および３は、三方調節弁とすることもできる。
【００２９】
また、起動時間を短縮する方法として、水蒸気発生器１４内部に燃焼触媒６を設置し、開閉弁５を備えた原燃料補給ライン４により原燃料を燃焼排ガスと混合させて供給する。この際、高温の燃焼排ガス中の酸素を酸化剤として利用することで、常温では燃焼させることが難しい原燃料も容易に燃焼させることが出来る。この燃焼熱が、ＣＯ変成器１２，ＣＯ除去器１３の反応熱及び水蒸気発生器１４の昇温に追加され、起動時間を短縮することが可能となる。
【００３０】
さらに、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の過昇温を防止するために、改質用供給水再循環ライン１は、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器をそれぞれ個別にバイパスするバイパスラインと、各バイパスラインへの切替弁７および８とを備えており、ＣＯ変成器１２またはＣＯ除去器１３のいずれかの反応器が所定の温度に到達した時には、ＣＯ変成器１２およびＣＯ除去器１３をバイパスラインに切り替えて供給水の通流を行なうことができる。
【００３１】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、炭化水素系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、電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池発電装置において、前記水蒸気改質用の改質器と、改質ガス中のＣＯ濃度を低減させるためのＣＯ変成器およびＣＯ除去器と、供給水から前記改質器の燃焼排ガスの顕熱により改質用水蒸気を発生させる水蒸気発生器とを備え、かつ、前記供給水を、前記ＣＯ変成器，ＣＯ除去器，水蒸気発生器に順次直列に通流し、水蒸気発生器から導出した水蒸気を原燃料と混合して前記改質器へ通流する改質用水蒸気供給ラインと、前記改質用水蒸気供給ラインにおける水蒸気発生器の水蒸気出口部と、前記ＣＯ変成器の供給水入口部とを接続してなり、燃料電池発電装置の起動時に、供給水を水蒸気発生器出口から前記ＣＯ変成器およびＣＯ除去器に還流するための改質用供給水再循環ラインと、前記改質用供給水再循環ラインと改質用水蒸気供給ラインのいずれかに供給水の通流を切り替えるための切替制御弁とを備えたものとし、
さらに、原燃料の一部を前記改質器の燃焼排ガスに混合して水蒸気発生器に供給するための原燃料補給ラインと、この原燃料補給ライン上に設けた開閉弁とを備え、かつ、前記水蒸気発生器はその内部に前記燃焼排ガス中の残存酸素により原燃料を燃焼させるための燃焼触媒を備えたものとして、
燃料電池発電装置の起動時に、前記改質器の燃焼排ガスを水蒸気発生器に供給した状態で、この燃焼排ガスによって加熱された前記供給水を改質用供給水再循環ラインに通流して、前記ＣＯ変成器およびＣＯ除去器を昇温させ、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器が所定の温度に到達した後、前記供給水の通流を、前記改質用水蒸気供給ラインに切替え、さらに、前記原燃料補給ライン上に設けた開閉弁を閉として水蒸気発生器への原燃料補給を停止することにより、
燃焼排ガスの顕熱を供給水を媒体として、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の昇温に利用することが可能となり、さらに、燃焼排ガス中の残存酸素と原燃料を触媒燃焼させてこの熱を有効利用することにより、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の構造の簡略化と、発電装置の起動時における消費電力の低減と、起動時間の短縮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および起動方法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】
１：改質用供給水再循環ライン、２，３：遮断弁、４：原燃料補給ライン、５：開閉弁、６：燃焼触媒、７，８：切替弁、１０：燃料電池、１１：改質器、１２：ＣＯ変成器１２、１３：ＣＯ除去器、１４：水蒸気発生器、１５：改質用水蒸気供給ライン。
【図１】
0004660910.tif 000002
【図２】
0004660910.tif 000003