(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セル用空気供給装置によって供給される空気中の酸素を濃縮する酸素分離装置を設けた燃料電池発電システムにおいて、
前記酸素分離装置により分離された窒素富化空気を改質器のバーナー部に燃焼用の空気として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２】
前記酸素分離装置が酸素分離膜であることを特徴とする、請求項１記載の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、燃料と酸化剤を用いる燃料電池発電システムに係わり、特に酸化剤である空気の供給側に酸素分離装置を設けた燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の出力を向上させる手段のひとつとして、酸素分離装置を用いて空気中の酸素濃度を高めることが提案されている（例えば、特開昭６０−２３９７７号公報参照）。
図６は酸素分離装置を設けた従来の燃料電池発電システムの一例を示す図である。
【０００３】
酸素分離装置としては例えば酸素分離膜１が用いられる。酸素分離膜１は燃料電池セル用空気供給装置５から供給された空気中の酸素を濃縮し、酸素濃度が約２５〜４０％程度の酸素富化空気を生成する。生成された酸素富化空気は燃料電池セル２に供給されて発電に用いられた後、セル排ガス排気口１６からプラント外へ排出される。
【０００４】
この際、酸素分離膜１で酸素富化空気の生成を行うと、同時に酸素が引きぬかれて酸素濃度が約５〜１５％程度に低減された窒素富化空気が生成される。この窒素富化空気はそのまま窒素富化空気排出口１０からプラント外に排出されることが多い。窒素富化空気の利用方法に関しては、特開平７−３０２６０９号公報において昇圧コンプレッサを用いて容器に蓄えプラントの可燃性ガス置換用として貯蔵しておく方法、あるいはガスタービン等を用いてエネルギーの回収に用いる方法が記載されている。
【０００５】
改質器３は都市ガス等の炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造し燃料電池セル２に供給するための装置で、燃料の一部や燃料電池セルでの未反応改質ガスを燃焼させることにより改質反応を行う。その際、燃焼に必要な空気は改質器用空気供給装置７により供給され、燃焼により発生した燃焼排ガスは気水分離器１３で水分を回収した後に燃焼排ガス排気口１７からプラント外へ排出される。
【０００６】
気水分離器１３で回収された回収水は、回収水脱気装置４にて回収水脱気装置用空気供給装置８から供給される空気と接触させることにより溶存二酸化炭素濃度を低減させた後、イオン交換樹脂を用いた水処理装置１４により金属イオン等を取り除き、プラント内で電池冷却水の一部等に用いられる。
電池冷却水は電池冷却水循環ポンプ１９によって燃料電池セル２の内部を循環し燃料電池セル２での発熱を除去し冷却を行うが、図７に示すように電池冷却水の代わりに電池冷却用空気供給装置１８によって供給される電池冷却用空気を用いて燃料電池セル２の冷却を行う場合もある。
【０００７】
また、プラント内の配管等から可燃性ガスが漏洩した場合にプラント内に可燃性ガスが滞留することを防ぐために、プラント内の換気が行われている。プラント内の換気方法としては、図６のようにプラント内換気用空気吸い込み口１１にプラント内換気用空気供給装置６を設ける方法と、図８のようにプラント内換気用空気排出口１２にプラント内換気用空気排出装置９を設ける方法等がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の酸素分離装置を設けた燃料電池発電システムでは燃料電池セル用空気供給装置５、プラント内換気用空気供給装置６又はプラント内換気用空気排出装置９、改質器用空気供給装置７、回収水脱気装置用空気供給装置８がそれぞれ個別に必要である。また、空気により燃料電池セルの冷却を行う場合にはさらに電池冷却用空気供給装置１８も必要となる。
そのため、設備費用が高くなり、設置スペースも個別に必要なためプラントの大型化に繋がるという問題点がある。また、それぞれの空気供給装置に個別に動力が必要なため、動力損失が大きく燃料電池発電システム全体の総合効率を低下させるという問題点がある。
【０００９】
さらに、酸素分離装置で酸素富化空気の生成を行うと同時に窒素富化空気が生成されるため、燃料電池セル用空気供給装置５は燃料電池セル２に必要な酸素富化空気の流量に加えて、プラント外に排出される窒素富化空気の流量を合計した流量の空気を酸素分離装置に供給する必要がある。
例えば、酸素濃度２１％の大気の供給を受けて酸素濃度４０％の酸素富化空気と酸素濃度１０％の窒素富化空気とを同時に生成するような酸素分離装置を用いた場合、毎分１リットルの酸素富化空気を得るためには毎分約２．７リットルの空気を酸素分離装置に供給する必要がある。
【００１０】
従って、酸素分離装置を設けた燃料電池発電システムの燃料電池セル用空気供給装置５は、酸素分離装置を用いない燃料電池発電システムの場合よりも大容量の装置が必要となり、動力損失も大きい。そのため、酸素富化空気によって燃料電池セル２の効率は向上するものの燃料電池発電システム全体の総合効率はさほど向上しないという問題点もある。
そこで本発明の目的は、以上のような問題点を解決し低コストで総合効率の高い燃料電池発電システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、燃料電池セル用空気供給装置によって供給される空気中の酸素を濃縮する酸素分離装置を設けた燃料電池発電システムにおいて、前記酸素分離装置により分離された窒素富化空気を改質器のバーナー部に燃焼用の空気として供給することを特徴とする。
さらに、本発明の燃料電池発電システムでは、前記酸素分離装置が酸素分離膜であることを特徴とする。
このような本発明に係る燃料電池発電システムによれば、酸素分離装置により生成される窒素富化空気を改質器用空気として用いることにより、燃料電池セル用空気供給装置と改質器用空気供給装置を兼用することが出来る。
【００１２】
さらに、酸素濃度の低い窒素富化空気を燃焼に用いることにより、通常の空気を用いて燃焼を行った場合と比較して燃焼温度が低減され、窒素酸化物（ＮＯx）の発生量が低減される。
【００１４】
以上述べた燃料電池発電システムにおいて、酸素分離装置としては酸素富化空気及び窒素富化空気が得られるものであればどのようなものでも良いが、例えば圧力スイング吸着法を用いた酸素分離装置、酸素分離膜を用いた酸素分離装置等が挙げられる。
圧力スイング吸着法はＰＳＡ(Pressure Swing Adsorption）法とも呼ばれ、複数の酸素分離塔を用いて交互にガスの吸着・脱着を繰り返すことによって酸素濃度が約９０〜９５％程度の酸素富化空気を生成する工業的プロセスとして実用化されている。
酸素分離膜は一般に高分子材料等から出来ており、酸素分子を選択的に透過させることによってコンパクトな装置で酸素濃度が約２５〜４０％程度の酸素富化空気を生成することが出来るため、医療用等の分野で実用化されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態の燃料電池発電システムの系統図である。
燃料電池発電システムの燃料である都市ガス等の炭化水素系燃料は改質器３に供給される。改質器３は水蒸気改質法により炭化水素系燃料を原燃料として水素を主成分とする改質ガスを生成する装置である。水蒸気改質法は炭化水素系燃料を触媒作用下で水蒸気と反応させるもので、その反応式は一般的な炭化水素系燃料ＣmＨnに対して次の(1)式で表現される。生成された改質ガスは燃料電池セル２の燃料極側へ供給される。
【００１６】
２ＣmＨn＋２ｍＨ2Ｏ → ２ｍＣＯ＋(２ｍ＋ｎ)Ｈ2      (1)
空気は燃料電池セル用空気供給装置５により酸素分離膜１に供給される。
酸素分離膜１は一般に高分子材料等から出来ており、酸素分子を選択的に透過させることにより酸素濃度が約２５〜４０％程度の酸素富化空気と酸素濃度が約５〜１５％程度の窒素富化空気を生成する。酸素分離膜１で生成された酸素富化空気は燃料電池セル２の空気極側に供給される。
燃料電池セル２では、改質器３で生成された改質ガス中の水素と酸素分離膜１で生成された酸素富化空気中の酸素が次の(2)〜(4)式のような反応を起こすことによって、電気エネルギーと熱エネルギーを発生させる。
【００１７】
空気極側    Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ            (2)
燃料極側    ２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-                   (3)
全体        Ｏ2＋２Ｈ2 → ２Ｈ2Ｏ                   (4)
【００１８】
燃料電池セル２で発生する排ガスのうち、空気極側のセル排ガスは熱交換器等により熱回収を行った後にセル排ガス排気口１６より排出される。また、燃料極側のセル排ガスには燃料電池セル２で消費されなかった未反応改質ガスが残っているため、再び改質器３へと送られる。
改質器３内部にはバーナーが設けられており、供給される燃料の一部と燃料電池セル２からの未反応改質ガスを酸素分離膜１から供給される窒素富化空気で燃焼させることによって、吸熱反応である水蒸気改質反応に必要な熱を発生させている。
【００１９】
改質器３内部のバーナーで発生した燃焼排ガスは、熱交換器等による熱回収、気水分離器１３による水分の回収を行った後、燃焼排ガス排気口１７から排出される。
気水分離器１３で回収された回収水は、回収水脱気装置４にて回収水脱気装置用空気供給装置８から供給される空気と接触させることによって溶存二酸化炭素濃度を低減させた後、水処理装置１４へと送られる。水処理装置１４には通常イオン交換樹脂が用いられ、ここで回収水中の金属イオン等が除去される。
【００２０】
その後回収水は、プラント内で使用される水、例えば電池冷却水の一部等に用いられる。
電池冷却水は電池冷却水循環ポンプ１９によって燃料電池セル２内部を循環し、燃料電池セル２での発電に伴う発熱を除去し冷却を行う。
また、プラント内の装置から発生する熱の放熱を行い、プラント内の配管等から可燃性ガスが漏洩した場合にプラント内に可燃性ガスが滞留することを防止するために、常にプラント内の換気が行われている。プラント内換気用空気は、プラント内換気用空気供給装置６によりプラント内換気用空気吸い込み口１１からプラント内に導入され、プラント内の換気を行った後にプラント内換気用空気排出口１２より排出される。
【００２１】
本実施の形態においては、酸素分離膜１で生成される窒素富化空気は改質器３に供給され燃焼用の空気として用いられるため、燃料電池セル用空気供給装置５と改質器用空気供給装置７を兼用することが可能となる。
さらに、酸素濃度の低い窒素富化空気を燃焼に用いることにより、通常の空気を用いて燃焼を行った場合と比較して燃焼温度が低減され、窒素酸化物（ＮＯx）の発生量が低減される。
【００２２】
次に、参考形態について図２を用いて説明する。
この参考形態では酸素分離膜１で生成される窒素富化空気は回収水脱気装置４へ供給され、回収水と接触させることによって回収水中の溶存二酸化炭素を低減させるために用いられる。
また、改質器３内部のバーナーでの燃焼に用いられる空気は改質器用空気供給装置７によって供給される。
【００２３】
この参考形態においては、酸素分離膜１で生成される窒素富化空気は回収水脱気装置４に供給され回収水の脱気のために用いられるため、燃料電池セル用空気供給装置５と回収水脱気装置用空気供給装置８を兼用することが可能となる。
また、一般に酸素分離膜１に用いられる高分子材料の二酸化炭素透過速度は酸素透過速度よりも大きいため、酸素分離膜１に供給される空気中の二酸化炭素は酸素富化空気側に分離されるので、窒素富化空気中の二酸化炭素濃度は通常の空気よりも低くなる。
従って、酸素分離膜１により生成された二酸化炭素濃度の低い窒素富化空気を回収水脱気装置４に供給して回収水の脱気に用いることにより、通常の空気を用いた場合と比較してより溶存二酸化炭素濃度の低い回収水を得ることが出来、その結果水処理装置１４のイオン交換樹脂寿命を延ばしランニングコストを低減することが出来る。
【００２４】
次の参考形態について図３を用いて説明する。
この参考形態では燃料電池セル２の冷却は空気によって行われ、その冷却用空気としては酸素分離膜１で生成される窒素富化空気が用いられる。そのため、電池冷却水循環ポンプ１９は不要となる。
【００２５】
また、改質器３内部のバーナーでの燃焼に用いられる空気は改質器用空気供給装置７によって供給される。
この参考形態においては、酸素分離膜１で生成される窒素富化空気は燃料電池セル２に供給され電池冷却用空気として用いられるため、燃料電池セル用空気供給装置５と電池冷却用空気供給装置１８を兼用することが可能となる。
【００２６】
次の参考形態について図４を用いて説明する。
この参考形態では酸素分離膜１で生成される窒素富化空気は酸素分離膜１に設けられたプラント内換気空気用窒素富化空気放散口１５からプラント内に放出され、プラント内の換気を行った後、プラント内換気用空気排出口１２から排出される。
また、改質器３内部のバーナーでの燃焼に用いられる空気は改質器用空気供給装置７によって供給される。
【００２７】
この参考形態においては、酸素分離膜１で生成される窒素富化空気はプラント内換気用空気として用いられるため、燃料電池セル用空気供給装置５とプラント内換気用空気供給装置６を兼用することが可能となる。
さらに、酸素濃度の低い窒素富化空気によりプラント内の換気を行うため、万一プラント内部に可燃性ガスが漏洩した場合でも酸素濃度が低いために爆発等の事故に繋がる危険性が低いという利点がある。
【００２８】
次の参考形態について図５を用いて説明する。
この参考形態ではプラント内換気用空気吸い込み口１１からプラント内に導入されプラント内の換気を行った後プラント内換気用空気排出装置９によりプラント内換気用空気排出口１２から排出される空気を酸素分離膜１に供給する。
酸素分離膜１において生成される窒素富化空気はそのままプラント外へ排出される。
【００２９】
この参考形態においては、プラント内の換気を行いプラント内換気用空気排出装置により排出される空気が酸素分離膜に供給されるため、燃料電池セル用空気供給装置５とプラント内換気用空気排出装置９を兼用することが可能となる。
以上では、燃料電池セル用空気供給装置５をプラント内換気用空気供給装置６又はプラント内換気用空気排出装置９、改質器用空気供給装置７、回収水脱気装置用空気供給装置８、電池冷却用空気供給装置１８のうちのいずれか１つと兼用する方法について説明を行ったが、酸素分離膜１で生成される窒素富化空気の量が多い場合には、燃料電池セル用空気供給装置５を他の空気供給装置のうちのいずれか２つ以上と兼用することも可能である。
【００３０】
また、改質器３がシステム内に単独で設けられていない燃料電池発電システム、すなわち改質器３が燃料電池セル２に内蔵されたような燃料電池発電システム、あるいはシステム内に改質器３を持たずに水素等の燃料を直接供給するような燃料電池発電システムにおいても、燃料電池セル用空気供給装置５を他の空気供給装置と兼用する事は可能である。
さらに、いずれの場合も酸素分離装置としては酸素分離膜以外の装置、例えばＰＳＡ法による酸素分離装置等を用いることが出来る。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば酸素分離装置を設けた燃料電池発電システムにおいて、燃料電池セル用空気供給装置５をプラント内の改質器用空気供給装置７と兼用することにより、改質器用空気供給装置７が不要となり、その結果、設備コストの低減、プラントの小型化、動力損失の低減による燃料電池発電システム全体の総合効率向上が可能となる。
【００３２】
また、燃料電池セル用空気供給装置５を改質器用空気供給装置７と兼用した場合には、酸素濃度の低い窒素富化空気を燃焼に用いることにより、通常の空気を用いて燃焼を行った場合と比較して燃焼温度が低減され、窒素酸化物（ＮＯx）の発生量が低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態（改質器用空気供給装置と兼用）の系統図。
【図２】  参考形態（回収水脱気装置用空気供給装置と兼用）の系統図。
【図３】  参考形態（電池冷却用空気供給装置と兼用）の系統図。
【図４】  参考形態（プラント内換気用空気供給装置と兼用）の系統図。
【図５】  参考形態（プラント内換気用空気排出装置と兼用）の系統図。
【図６】  水により燃料電池セルを冷却する場合の従来の燃料電池発電システムの系統図。
【図７】  空気により燃料電池セルを冷却する場合の従来の燃料電池発電システムの系統図。
【図８】  プラント内換気用空気排出装置を設けた場合の従来の燃料電池発電システムの系統図。
【符号の説明】
１    酸素分離膜
２    燃料電池セル
３    改質器
４    回収水脱気装置
５    燃料電池セル用空気供給装置
６    プラント内換気用空気供給装置
７    改質器用空気供給装置
８    回収水脱気装置用空気供給装置
９    プラント内換気用空気排出装置
１０  窒素富化空気排出口
１１  プラント内換気用空気吸い込み口
１２  プラント内換気用空気排出口
１３  気水分離器
１４  水処理装置
１５  プラント内換気用窒素富化空気放散口
１６  セル排ガス排気口
１７  燃焼排ガス排気口
１８  電池冷却用空気供給装置
１９  電池冷却水循環ポンプ
【図１】
0004011203.tif 000002
【図２】
0004011203.tif 000003
【図３】
0004011203.tif 000004
【図４】
0004011203.tif 000005
【図５】
0004011203.tif 000006
【図６】
0004011203.tif 000007
【図７】
0004011203.tif 000008
【図８】
0004011203.tif 000009