(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体に燃料ガスを供給する系統が、原燃料に気水分離器より送られた改質用蒸気を混合して導入し、水素濃度の高いガスへと改質する改質器と、改質器で得られたガスを導入し、含まれるＣＯをＨ2Ｏと反応させてＣＯ濃度の低いガスへと変成させるＣＯ変成器と、ＣＯ変成器で得られたガスに外部より投入した空気を混合して導入し、Ｏ2 と反応させてＣＯを除去するＣＯ除去器と、ＣＯ除去器で得られたガスを冷却水で冷却して燃料電池本体に供給する燃料ガスを得る燃料ガス冷却器を備えてなり、
かつ、燃料ガス冷却器で燃料ガスを冷却した前記の冷却水を、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却機構へ送ってＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却に用い、さらにＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却機構より排出された冷却水を、改質用蒸気を供給する前記の気水分離器へ導入するとともに、気水分離器のブロー水を、燃料ガス冷却器で燃料ガスを冷却した前記の冷却水に混合してＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却機構へ循環供給するよう構成されている固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料ガス冷却器に供給される燃料ガス冷却用の前記の冷却水が、燃料電池本体の冷却機構に送られる電池冷却水循環系より分岐して導入され、かつ、前記の気水分離器のブロー水の一部が水処理装置を経て電池冷却水循環系へ補給されるよう構成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記のＣＯ変成器で得られたガスをＣＯ除去器に導入する際、ＣＯ除去器に導入されるガスのＯ2 ／ＣＯ量論比が８以上となるように外部より投入する空気量を制御して運転することを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
固体高分子膜を電解質層として用いた燃料電池本体に燃料ガスと空気を供給して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子型燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来の固体高分子型燃料電池発電装置の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー図である。
燃料電池本体５の空気極には、空気ブロア１１で採り込まれた空気が供給され、燃料極には、外部より供給された原燃料を脱硫、改質、ＣＯ除去して得られる高水素濃度の燃料ガスが供給される。
【０００３】
すなわち、原燃料として外部より供給された都市ガスは、まず脱硫器１で脱硫され、つづいてエゼクタ９において気水分離器７から送られた改質用蒸気と混合された後、改質器２へと送られる。なお、エゼクタ９に送られる改質用蒸気の量は蒸気流量制御弁８により制御される。エゼクタ９で多量の改質用蒸気を含んだ都市ガスは、改質器２中の改質触媒層を通過することによって水素濃度の高い改質ガスへと改質される。なお、この改質反応は吸熱反応であるため、ガスを燃焼させて改質触媒層を高温に加熱する措置が採られる。改質器２で得られた改質ガスには燃料電池本体５の運転にとって有害なＣＯが１５％近く含まれているので、燃料ガスとして用いるためにはこのＣＯを除去する必要がある．したがって、得られた改質ガスは、まずＣＯ変成器３へと送られ、ＣＯをＨ2Ｏと反応させてＣＯ2 に変成するＣＯ変成反応によって、ＣＯ濃度が１％以下の改質ガスへと変成される。ＣＯ変成器３を出た改質ガスは、さらに、反応空気流量制御弁１５を制御してＯ2 ／ＣＯ量論比が３〜４程度となるように空気ブロア１１で採り込まれた空気を付加したのち、ＣＯ除去器４へと送られる。このＣＯ除去器４でのＣＯ除去反応、すなわち、ＣＯをＯ2 と反応させてＣＯ2 にするＣＯ除去反応によって、改質ガス中の残存ＣＯ濃度は 10 ppm 以下に抑えられる。このようにして得られた、水素濃度が高く、ＣＯ濃度が微量の改質ガスが、燃料ガスとして燃料電池本体５の燃料極に供給される。なお、この燃料ガスの温度は、ＣＯ除去器４へ供給される冷却水によって制御され、燃料極に直接供給できるよう約 80 ℃に保持されている。燃料極より排出される燃料極排ガスは、空気ブロア１１で採り込まれた空気の一部とともに改質器２のバーナーへと送られ、電池反応に寄与しなかった残存水素が燃焼されて、吸熱反応である改質反応を促進するための改質触媒層の加熱に使用される。
【０００４】
また、燃料電池本体５での電池反応は発熱反応であるので、純水タンク１０に貯えられた約 80 ℃の純水を電池冷却水として用い、この電池冷却水を燃料電池本体冷却水ポンプ１２により燃料電池本体５の冷却機構へと循環供給することによって、燃料電池本体５を一定運転温度に保持して運転している。
また、燃料電池本体冷却水ポンプ１２によって純水タンク１０より取出された純水の一部は、改質用水供給ポンプ１３によってＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３へと送られ、ＣＯ除去反応およびＣＯ変成反応に伴う発熱の除去に使用されている。なお、図２に示した系統では冷却水をＣＯ除去器４とＣＯ変成器３に直列に供給しているが、冷却水をこれらの装置に並列に供給する系統とする場合もある。ＣＯ除去器４とＣＯ変成器３の冷却に用いられた純水は、蒸気発生器６を経たのち気水分離器７へと送られる。蒸気発生器６は、気水分離器７からエゼクタ９へと供給される改質蒸気の量を確保するために備えられたもので、ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３を通過した冷却水を、改質器２のバーナーより排出される約 500℃の高温の燃焼排ガスと熱交換させることによって多量の水蒸気を得ている。蒸気発生器６より気水分離器７へと送られた多量の気液二相流の一部は、気水分離器７において凝縮され、凝縮水として貯えられる。貯えられた凝縮水の一部は、貯量が過大とならないように回収水ポンプ１４を駆動してブロー水として取出される。取出されたブロー水は、水処理装置１７において純化処理されたのち再び純水タンク１０へと送られ、電池冷却水、あるいはＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３の冷却水として使用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固体高分子型燃料電池発電装置においては、上記のように、電池冷却水系の純水タンク１０より取出された純水の一部を改質用水供給ポンプ１３によってＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３へ送ってこれらの冷却に用い、さらに、ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３を通過した冷却水を蒸気発生器６を経由して気水分離器７へと送ることによって原燃料の改質に用いる改質用蒸気を得ている。したがって、ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３の冷却水量は、改質用蒸気流量とブロー水量との和となっている。
【０００６】
しかるに、ブロー水はその量が多ければ多いほど回収したエネルギーを系外に持ち出すことになるので、燃料電池発電装置としては必要最小限とする必要があり、一般に最小ブロー水量に抑えられている。このため、従来の燃料電池発電装置ではＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３の冷却水量が、改質用蒸気流量と最小ブロー水量との和に制限される。したがって、ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３の冷却水量は余裕に乏しく、燃料電池発電装置の負荷変動時、あるいは制御の小さな乱れ等によってＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３の発熱量に変化が生じた際に十分な冷却水量の調整が行えず、冷却水自体の温度が変動して、これらの反応器の温度制御が困難になるという問題点があった。
【０００７】
また、従来の固体高分子型燃料電池発電装置では、ＣＯ除去器４およびＣＯ変成器３を通過した冷却水を蒸気発生器６へ送り、改質器２の燃焼室より排出される燃焼排ガスと熱交換させて改質用蒸気を得ているが、この構成の発電装置では、高価な蒸気発生器６が必要であるという難点があり、また、燃焼排ガスの温度を約 500℃の高温に維持する必要があるので、改質器２のバーナー直下の断熱火炎温度は改質器２の構成材料の融点（1400〜1500℃）に近い高温となり、長寿命の改質器を得ることが困難であるという問題点がある。
【０００８】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の問題点を解消し、安価で、かつ燃料ガス供給系に組み込まれるＣＯ除去器およびＣＯ変成器の温度が容易に制御され、かつ改質器の高温化が抑制されて長時間にわたり安定して運転できる固体高分子型燃料電池発電装置、ならびにその運転方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
（１）固体高分子型燃料電池発電装置の燃料電池本体に燃料ガスを供給する系統に、原燃料に気水分離器より送られた改質用蒸気を混合して導入し、水素濃度の高いガスへと改質する改質器と、改質器で得られたガスを導入し、含まれるＣＯをＨ2 Ｏと反応させてＣＯ濃度の低いガスへと変成させるＣＯ変成器と、ＣＯ変成器で得られたガスに外部より投入した空気を混合して導入し、Ｏ2 と反応させてＣＯを除去するＣＯ除去器と、ＣＯ除去器で得られたガスを冷却水で冷却して燃料電池本体に供給する燃料ガスを得る燃料ガス冷却器を備え、かつ、燃料ガス冷却器で燃料ガスを冷却した冷却水を、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却機構へ送ってＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却に用い、さらにＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却機構より排出された冷却水を、改質用蒸気を供給する気水分離器へ導入するとともに、気水分離器のブロー水を、燃料ガス冷却器で燃料ガスを冷却した前記の冷却水に混合してＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却機構へ循環供給するよう構成することとする。
【００１０】
（２）さらに、上記（１）において、燃料ガス冷却器に供給する燃料ガス冷却用の冷却水を、燃料電池本体の冷却機構に送られる電池冷却水循環系より分岐して導入し、かつ、気水分離器のブロー水の一部を水処理装置を経て電池冷却水循環系へ循環させるよう構成することとする。
（３）また、上記（１）あるいは（２）の固体高分子型燃料電池発電装置の運転に際しては、ＣＯ変成器で得られたガスに外部から投入する空気量を、ＣＯ除去器に導入されるガスのＯ2 ／ＣＯ量論比が８以上となるよう制御して運転することとする。
【００１１】
上記の（１）のごとく、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却に用いた冷却水を直接気水分離器に送り、得られたブロー水を燃料ガス冷却器の冷却に用いた冷却水に混合して再びＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却機構へ循環供給するよう構成すれば、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却に多量の冷却水を供給することができるので、これらの反応器の発熱量が変動しても一定温度に安定して制御することが可能となる。また、ブロー水が循環使用されることとなるので、従来のように外部に熱エネルギーが持ち去られることがなく、熱効率の高い運転が可能となる。
【００１２】
また、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の冷却に用いた冷却水を直接気水分離器に送り、得られた水蒸気を改質用蒸気として原燃料に混合し、改質器に導入して水素濃度の高いガスへと改質することとすれば、図２に示した従来の装置で用いられていた蒸気発生器６が不要となる。また、蒸気発生器６が無いので、従来例のように改質器２から蒸気発生器６へと高温の燃焼排ガスを供給する必要がない。したがって、改質器２の運転温度を低下させることができるので、改質器２の寿命の大幅改善が可能となる。なお、上記の（１）のごとくとすれば、従来例に比べてＣＯ変成器およびＣＯ除去器の温度が高くなるので、燃料ガスを冷却する燃料ガス冷却器を備える必要があるが、従来例で用いられていた蒸気発生器６の最高使用温度が 500℃程度であったのに対して、設置が必要となる燃料ガス冷却器の最高使用温度は 160℃程度であり、燃料ガス冷却器のコストは蒸気発生器６に比べて大幅に低減される。
【００１３】
50 ｋＷ固体高分子型燃料電池発電装置の場合について例示すれば、Ｓ／Ｃ比、すなわち、改質用蒸気のモル数と原燃料１モル中のＣのモル数との比が 2.5であれば、およそ 30 kg/h弱の改質用蒸気が必要となる。したがって、改質用蒸気系統の温度を 150℃（蒸発潜熱；2.113 kJ/kg ）とすれば、この量の改質用蒸気を得るに必要なエネルギーは 6.3×104 kJ/hとなる。これに対して、出口ＣＯ濃度が１％（DRY ）のときのＣＯ変成器の反応発熱量は 2.5×104 kJ/hであり、出口ＣＯ濃度が 10 ppm （DRY ）のときのＣＯ除去器の反応発熱量は、導入されるガスのＯ2 ／ＣＯ量論比が 8.0のとき、 5.1×104 kJ/hである。経験的にこれらの反応器での反応発熱量の約 85 ％がこれらの冷却機構を流れる冷却水に伝達され、約 15 ％が外部に放熱されるとして、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器を流れる冷却水に与えられる熱を算出すると、ＣＯ除去器に導入されるガスのＯ2 ／ＣＯ量論比が 8.0のとき、 6.4×104 kJ/hとなり、上記の改質用蒸気を得るに必要なエネルギーとほぼ同等になる。すなわち、上記の（１）のごとく構成した燃料電池発電装置においては、ＣＯ除去器に導入されるガスのＯ2 ／ＣＯ量論比が少なくとも 8.0となるように、外部から空気を投入して運転すれば、所要の改質用蒸気量を得るに必要な熱量が冷却水に加わり安定した運転ができることとなる。仮に、Ｏ2 ／ＣＯ量論比が 8.0を下回るとＣＯ除去器の反応発熱量が低下するので、改質用蒸気量が不足して自立した運転の持続が困難となる。
【００１４】
なお、上記には 50 ｋＷ固体高分子型燃料電池発電装置の場合について具体的数値を挙げて説明したが、装置の容量が変わっても、所要の改質用蒸気量、ＣＯ変成器の反応発熱量、ＣＯ変成器の反応発熱量等の諸熱量は、基本的に互いに比例して推移するものと見込まれるので、他の容量の固体高分子型燃料電池発電装置においても、ＣＯ除去器に導入されるガスのＯ2 ／ＣＯ量論比が 8.0以上となるように設定することが必要条件と見なされる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の固体高分子型燃料電池発電装置の実施例の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー図である。本図において、図２の従来例のフロー図に示した構成部品と同一機能を有する構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
本実施例の特徴は、ＣＯ除去器４で得られた燃料ガスを冷却水で冷却して燃料電池本体５に供給する燃料ガス冷却器１６が備えられていること、また、燃料ガス冷却器１６で燃料ガスを冷却した冷却水が、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４の冷却機構へ送られ、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４を冷却したのち、改質用蒸気を供給する気水分離器７へと直接導入され、さらにこの気水分離器７のブロー水が、循環ポンプ１８によって、燃料ガス冷却器１６で燃料ガスを冷却した冷却水に混合されてＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４の冷却機構へ循環供給されるよう構成されている点にある。
【００１７】
なお、燃料ガス冷却器１６に流す冷却水を補給するために、気水分離器７のブロー水の一部が、水処理装置１７を経て純水タンク１０へと戻されている。
本構成では、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４を冷却する冷却水が閉ループを循環して流れるので、熱効率が良く、かつ、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４の温度が安定性よく制御される。また、燃料ガス冷却器１６を設置しているが、従来例のごとき高温の蒸気発生器を用いていないので相対的にコストが低減する。また、従来例のごとく蒸気発生器加熱用に高温の燃焼排ガスを供給する必要がなく、燃焼排ガス温度を約 100℃の低温に抑えることが可能となるので、改質器２の寿命が増大する。
【００１８】
なお、本実施例では、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４を冷却する冷却水がＣＯ変成器３とＣＯ除去器４を直列に流れるよう構成されているが、ＣＯ変成器３とＣＯ除去器４を並列に流れる構成としても、同様の効果が得られることは明らかである。
【００１９】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、
（１）固体高分子型燃料電池発電装置を請求項１あるいは２に記載のごとく構成することとしたので、燃料ガス供給系に組み込まれるＣＯ除去器およびＣＯ変成器の温度が容易に制御され、かつ改質器の高温化が抑制されて長時間にわたり安定して運転でき、かつコストが低減される固体高分子型燃料電池発電装置が得られることとなった。
【００２０】
（２）また、請求項３に記載のごとき運転方法を用いれば上記の固体高分子型燃料電池発電装置が適正かつ安定して運転できることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池発電装置の実施例の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー図
【図２】従来の固体高分子型燃料電池発電装置の反応ガス系統と冷却水系統の基本構成を示すフロー図
【符号の説明】
１    脱硫器
２    改質器
３    ＣＯ変成器
４    ＣＯ除去器
５    燃料電池本体
７    気水分離器
８    蒸気流量制御弁
９    エゼクタ
１０    純水タンク
１１    空気ブロア
１２    燃料電池本体冷却水ポンプ
１３    改質用水供給ポンプ
１５    反応空気流量制御弁
１６    燃料ガス冷却器
１７    水処理装置
１８    循環ポンプ
【図１】
0004273684.tif 000002
【図２】
0004273684.tif 000003