(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む炭化水素系燃料ガスを原燃料とし、その原燃料の硫黄を脱硫後、直接供給して発電させる燃料電池本体と、脱硫後の原燃料に含まれる炭化水素を水素リッチなガスに変換させる燃料処理装置とを備えた燃料電池発電装置において、起動運転時は、脱硫後の原燃料を直接、燃料電池本体に供給させる起動運転用燃料供給系統と、通常運転時は、脱硫後の原燃料を燃料処理装置を介した後に、燃料電池本体に供給させる通常運転用燃料供給系統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】
起動運転時、脱硫後の水素を含む原燃料を直接、燃料電池本体に供給して発電を行わせ、前記燃料電池本体から出た未反応ガスを燃料処理装置の改質器に熱源として供給する一方、前記燃料処理装置に装着する触媒の反応温度範囲になったとき切り替えて、前記原燃料を前記燃料処理装置を介して前記燃料電池本体に供給して発電を行わせることを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項３】
起動運転時、脱硫後の水素を含む原燃料を直接、第１燃料電池本体に供給して発電を行わせ、第１燃料電池本体発電中、前記第１燃料電池本体から出る燃料ガスを加熱源として燃料処理装置へ供給することにより燃料処理装置に装着する触媒が反応度範囲になったとき、切り替えて第２燃料電池本体から出る燃料ガスを前記燃料処理装置に、水素製造の原燃料として供給し、前記第２燃料電池本体に発電を行わせることを特徴とする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】
本発明は、水素を含む炭化水素系燃料ガスを原燃料とする燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料から電力に変換するエネルギ変換装置として、燃料電池発電装置が注目されている。
【０００３】
この燃料電池発電装置は、幾つかのタイプのものが稼動中または研究開発中であるが、その中でも電解質として固体高分子膜を用いる固体高分子型燃料電池が構造コンパクトで、高出力密度が得られ、しかも簡易なシステムで運転ができるため、定置用分散電源だけでなく、宇宙用、車両用、さらに家庭用等幅広い産業分野への電力供給源として脚光を浴びている。
【０００４】
また、燃料電池発電装置は、電気化学反応の際、生成される熱を巧みに利用する、いわゆるコジェネレーション分野への適用も開発されつつある。
【０００５】
このように、社会生活にとって著しく期待度合の高い燃料電池発電装置は、大別して燃料電池本体と燃料処理系統等を備えた構成になっている。
【０００６】
燃料電池本体は、プロトン導電性の固体高分子膜を触媒を被覆するガス拡散電極で挟む膜電極複合体を備えるとともに、その両外側に集電体としてのガス供給溝を備えるガス透過性の低い材料で製作されたセパレータを交互に積層状に配置し、電池スタックを構成している。
【０００７】
また、ガス拡散電極は、片面が燃料極、残りの片面が空気極（酸化剤極）を備えており、水素を主成分とする燃料ガスと空気とがセパレータのガス供給溝を介してそれぞれ区分けして供給させている。
【０００８】
一方、燃料処理系統は、水添脱硫装置、改質器、シフト反応器、一酸化炭素除去器等を備え、都市ガス、天然ガス、メタノール等のうち、いずれかの炭化水素系燃料から水素を主成分とする燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスに含まれている硫黄を脱硫装置の触媒を用いて除去した後、改質器で触媒を用いて化学反応により、例えば水蒸気を加えて炭化水素系燃料を水素主成分の燃料ガスに水蒸気改質させている。
【０００９】
改質器で水蒸気改質させた燃料ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）が多く含まれているため、燃料電池本体等の触媒を被毒させ、性能の低下、あるいは事故発生の要因にもなっている。
【００１０】
このため、燃料処理系統は、水蒸気改質させた燃料ガスのうち、一酸化炭素をシフト反応器、一酸化炭素除去器の各触媒で除去し、二酸化炭素にして燃料電池本体に供給し、ここで電気化学的に反応させ、その際に発生する直流電力を取り出していた。
【００１１】
このように、燃料電池発電装置は、クリーンなエネルギを巧みに利用し、電気化学的反応により電力を発生させているので、環境汚染のない動力発生装置としてより一層の発展が期待されている。
【００１２】
また、昨今、環境意識の高まりから、汚泥消化装置や生ゴミ処理装置等の環境機器から発生する副生ガスのさまざまなエネルギ利用の検討がなされている。これらの副生ガスの中には、例えば、食品加工工程の際、発生する水素ガス約８０％、メタンガス約２０％といった多くの水素を含むものもあるが、ガス組成、熱量の違いにより、上記燃料処理系統をそのまま利用して燃料電池発電装置を運転することは困難であった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池発電装置は、環境汚染のない動力発生装置として高く評価されているものの、それでも幾つかの問題点があり、その中にシステムの簡素化と起動時間の短縮化がある。
【００１４】
燃料電池発電装置は、炭化水素系燃料を水蒸気改質させ、燃料ガスを燃料電池本体に供給するまで、上述のとおり、脱硫、水蒸気改質、一酸化炭素除去等、多くの工程を経ている。
【００１５】
このため、燃料電池発電装置は、多くの設備を必要とし、各設備で処理する燃料ガスの流量、温度、圧力を適正状態量に維持する制御演算系が必要となる等、設備の複雑化を招いていた。
【００１６】
また、燃料電池発電装置は、多くの設備で燃料ガスを処理反応させる際、各設備に装着した触媒で行っているが、触媒を高い触媒効率に維持させる温度にするまでに多くの時間を要し、このため、起動時間が長くなる等の問題があった。
【００１７】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、水素を含む炭化水素系燃料を原燃料ガスとする発電装置において、設備を簡素化させる一方、起動運転時間の短縮化を図った燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、水素を含む炭化水素系燃料ガスを原燃料とし、その原燃料の硫黄を脱硫後、直接供給して発電させる燃料電池本体と、脱硫後の原燃料に含まれる炭化水素を水素リッチなガスに変換させる燃料処理装置とを備えた燃料電池発電装置において、起動運転時は、脱硫後の原燃料を直接、燃料電池本体に供給させる起動運転用燃料供給系統と、通常運転時は、脱硫後の原燃料を燃料処理装置を介した後に、燃料電池本体に供給させる通常運転用燃料供給系統とを備えたものである。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池発電装置の運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、起動運転時、脱硫後の原燃料を直接、燃料電池本体に供給して発電を行わせ、前記燃料電池本体から出た未反応ガスを燃料処理装置の改質器に熱源として供給する一方、前記燃料処理装置に装着する触媒の反応温度範囲になったとき切り替えて、前記原燃料を前記燃料処理装置を介して前記燃料電池本体に供給して発電を行わせる運転方法である。
【００２５】
また、本発明に係る燃料電池発電装置の運転方法は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、起動運転時、脱硫後の水素を含む原燃料を直接、第１燃料電池本体に供給して発電を行わせ、第１燃料電池本体発電中、前記第１燃料電池本体から出る燃料ガスを加熱源として燃料処理装置へ供給することにより燃料処理装置に装着する触媒が反応度範囲になったとき、切り替えて第２燃料電池本体から出る燃料ガスを前記燃料処理装置に、水素製造の原燃料として供給し、前記第２燃料電池本体に発電を行わせる運転方法である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る燃料電池発電装置の第１実施形態を示す概略系統図である。
【００２８】
本実施形態に係る燃料電池発電装置は、脱硫器１、燃料電池本体２、ボイラ３を備える構成になっており、水素を含む原燃料ＦＵＬを脱硫器１に供給して硫黄を除去した後、燃料電池本体２に供給し、ここで原燃料ＦＵＬに含まれる水素ガスを空気中の酸素ガスと化学反応させ、その際に発生する直流電力を取り出し、変換器を経て外部に電力として供給するようになっている。
【００２９】
また、本実施形態に係る燃料電池発電装置は、燃料電池本体２で化学反応の際、未反応として残った水素ガスをボイラ３に供給し、ここで未反応の水素ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスの熱で水を水蒸気にし、その水蒸気を、給湯用として、また温水プール用として熱利用部に供給する。
【００３０】
このように、本実施形態は、脱硫器１、燃料電池本体２、ボイラ３を備え、脱硫器１で原燃料ＦＵＬに含まれる硫黄を除去した後、燃料電池本体２で硫黄を除去した原燃料の水素ガスと酸素ガスとを化学反応させて電力を取り出す一方、化学反応中、未反応の水素ガスおよび炭化水素ガスをボイラ３で燃焼させ、その熱で発生する水蒸気を熱利用部に供給し、従来の燃料処理系統を大幅に取り除いたので、システムとしての設備をより一層簡素化させることができる。
【００３１】
図２は、本発明に係る燃料電池発電装置の第２実施形態を示す概略系統図である。
【００３２】
本実施形態に係る燃料電池発電装置は、原燃料ＦＵＬの硫黄を除去し、原燃料ＦＵＬに含まれている水素を水蒸気改質させるとともに、水蒸気改質中に生成する一酸化炭素（ＣＯ）を除去する燃料処理装置４と、水蒸気改質させた燃料ガスと空気中の酸素とを電気化学的に反応させ、その際に発生する直流電力を取り出す燃料電池本体２とを備える構成になっている。
【００３３】
また、本実施形態に係る燃料電池発電装置は、起動運転時、硫黄除去後の原燃料ＦＵＬを、直接、燃料電池本体２に供給する起動運転用燃料供給系統５と、通常運転時、硫黄除去後の原燃料ＦＵＬを、燃料処理装置４を介して燃料電池本体２に切り替えて供給する通常運転用燃料供給系統６と、燃料電池本体２で未反応のアノード排ガスを燃料処理装置４に吸熱反応用熱源として供給する燃料ガス回収系統７とを備えている。
【００３４】
燃料処理装置４は、原燃料ＦＵＬの流れに沿って順に、脱硫器１、改質器８、シフト反応器９、一酸化炭素（ＣＯ）除去器１０を備え、脱硫器１で原燃料ＦＵＬの硫黄を除去し、硫黄除去後の原燃料ＦＵＬに水蒸気を加えて改質器８で燃料ガス回収系統７から供給されるアノード排ガスの吸熱反応用熱源の下、水蒸気改質させ、水蒸気改質後の燃料ガスのうち、一酸化炭素（ＣＯ）の濃度をシフト反応器９で低下させ、さらに一酸化炭素除去器１０で一酸化炭素を二酸化炭素に変換させるようになっている。
【００３５】
次に、上述の構成に基づく燃料電池発電装置の運転方法を説明する。
【００３６】
本実施形態に係る燃料電池発電装置の運転方法は、起動運転時と通常運転時とで原燃料ＦＵＬの燃料電池本体２への供給系統を異ならしめている。
【００３７】
一般に、燃料電池発電装置は、燃料処理装置４の改質器８、シフト反応器９および一酸化炭素除去器１０等のそれぞれに触媒を装着している。触媒は、高い触媒効率を維持させるに必要な温度が高温、具体的には約１５０℃から７００℃である。このため、起動運転時、燃料処理装置４は、高温の熱源を確保することができない。
【００３８】
本実施形態は、このような点を考慮したもので、起動運転時、脱硫器１で硫黄除去後の水素を含む原燃料ＦＵＬを、起動運転用燃料供給系統５を介して直接、燃料電池本体２に供給し、原燃料ＦＵＬ中の水素と、外部から供給された空気中の酸素と反応させ、その際に発生する直流電力を取り出す一方、直流電力の発生中、未反応の燃料ガスを燃料ガス回収系統７を介して燃料処理装置４の改質器８、シフト反応器９、一酸化炭素除去器１０等に順次供給し、改質器８、シフト反応器９、一酸化炭素除去器１０等の各触媒が反応できる温度範囲になると、脱硫器１で硫黄が除去された原燃料ＦＵＬを通常運転用燃料供給系統６に切り替えて燃料電池本体２に供給する。
【００３９】
通常運転用燃料供給系統６に供給された原燃料ＦＵＬは、水蒸気とともに燃料処理装置４の改質器８で燃料ガス回収系統７から供給されるアノード排ガスの吸熱反応用熱源の下、水蒸気改質され、さらにシフト反応器９で一酸化炭素の濃度を低減させ、一酸化炭素除去器１０で一酸化炭素を二酸化炭素に変換させた後、空気とともに燃料電池本体２に供給され、直流電力を発生させる。
【００４０】
このように、本実施形態は、起動運転時、脱硫後の原燃料ＦＵＬを、直接、燃料電池本体２に供給して直流電力を発生させ、この間、燃料電池本体２から燃料処理装置４に回収される未反応のアノード排ガスが燃料処理装置４の改質器８、シフト反応器９、一酸化炭素除去器１０を循環し、改質器８、シフト反応器９、一酸化炭素除去器１０の各触媒が反応できる温度範囲なったとき切り替えて、脱硫後の原燃料ＦＵＬを通常運転用燃料供給系統６を介して燃料電池本体２に供給して直流電力を発生させるので、触媒の高温維持の下、起動運転時間をより一層短縮させることができる。
【００４１】
図３は、本発明に係る燃料電池発電装置の第３実施形態を示す概略系統図である。
【００４２】
本実施形態に係る燃料電池発電装置は、脱硫器１で硫黄を除去した水素を含む原燃料ＦＵＬを使用し、原燃料中の水素と空気中の酸素との反応により直流電力を取り出す第１燃料電池本体１１と、この第１燃料電池本体１１から出た燃料ガスに水蒸気を加えて燃料ガスを再生し、水素リッチな燃料ガスにする燃料処理装置１２と、この燃料処理装置１２で水素リッチにした燃料ガスと空気中の酸素との反応により直流電力を取り出す第２燃料電池本体１３とを備える構成になっている。
【００４３】
また、本実施形態に係る燃料電池発電装置は、第２燃料電池本体１３で未反応のアノード排ガスを燃料処理装置１２に吸熱反応用熱源として供給する燃料ガス回収系統１４を備えている。
【００４４】
燃料処理装置１２は、第２実施形態と同様に、燃料ガスの流れに沿って順に、改質器１５、シフト反応器１６、一酸化炭素除去器１７を備え、第１燃料電池本体１１から出た燃料ガスに水蒸気を加えて改質器１６で燃料ガス回収系統１４から供給されるアノード排ガスの吸熱反応用熱源の下、水蒸気改質させ、水蒸気改質後の燃料ガスのうち、一酸化炭素の濃度をシフト反応器１６で低下させ、さらに一酸化炭素除去器１７で一酸化炭素を二酸化炭素に変換させている。
【００４５】
次に、このような構成に基づいて燃料電池発電装置の運転方法を説明する。
【００４６】
本実施形態に係る燃料電池発電装置の運転方法は、脱硫器１で硫黄除去後の原燃料ＦＵＬを第１燃料電池本体１１に供給して直流電力を発生させた後、第１燃料電池本体１１から出る未反応のアノード排ガスを燃料処理装置１２に加熱源として供給し、この燃料処理装置１２における改質器１５、シフト反応器１６、一酸化炭素除去器１７の各触媒が反応できる温度範囲になると切り替えて、第２燃料電池本体１３から出る未反応のアノード排ガスを燃料処理装置１２の改質器に水素製造の原燃料として供給し、このアノード排ガスの吸熱反応熱源の下、水素リッチな水蒸気改質をさせて再生し、さらにシフト反応器１６で一酸化炭素の濃度を低下させ、一酸化炭素除去器１７で一酸化炭素を二酸化炭素に変換させ、第２燃料電池本体１３で直流電力を発生させる。
【００４７】
このように、本実施形態は、第１燃料電池本体１１、第２燃料電池本体１３等の複数の燃料電池本体を備えて発電量を増加させることと相俟って、第１燃料電池本体１１で直流電力を発生させた後の未反応のアノード排ガスを燃料処理装置１２に加熱源として供給し、この燃料処理装置１２における各装置の触媒が反応できる温度範囲になると切り替え、第２燃料電池本体１３から出る未反応のアノード排ガスを燃料処理装置１２に水素製造の原燃料して供給し、第２燃料電池本体１３で直流電力を発生させるので、第２燃料電池本体１３の起動運転時間をより一層短縮させることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明に係る燃料電池発電装置は、硫黄除去後の水素を含む原燃料を、直接、燃料電池本体に供給するとともに、燃料電池本体で電力を発生させた燃料ガスをボイラに供給して水蒸気を発生させ、発生した水蒸気を熱利用部に供給するので、設備の簡素化と相俟ってエネルギの有効活用を図ることができる。
【００４９】
また、本発明に係る燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法は、硫黄除去後の原燃料を、直接、燃料電池本体に供給して電力を発生させ、この間、燃料電池本体から燃料処理装置に回収させる未反応のアノード排ガスで燃料処理装置における各装置の触媒が反応できる温度範囲になったときに切り替えて、原燃料を燃料処理装置を介して燃料電池本体に供給して直流電力を発生させるので、触媒の反応温度維持の下、起動運転時間をより一層短縮させることができる。
【００５０】
また、本発明に係る燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法は、複数の燃料電池本体を備えて発電量を増加させる一方、第１燃料電池本体で直流電力を発生させた後の未反応のアノード排ガスで燃料処理装置における各装置の触媒が反応できる温度範囲になったときに切り替えて、原燃料を燃料処理装置を介して第２燃料電池本体に供給して直流電力を発生させるので、触媒の高温維持の下、第２燃料電池本体の起動運転時間をより一層短縮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池発電装置の第１実施形態を示す概略系統図。
【図２】本発明に係る燃料電池発電装置の第２実施形態を示す概略系統図。
【図３】本発明に係る燃料電池発電装置の第３実施形態を示す概略系統図。
【符号の説明】
１  脱硫器
２  燃料電池本体
３  ボイラ
４  燃料処理装置
５  起動運転用燃料供給系統
６  通常運転用燃料供給系統
７  燃料ガス回収系統
８  改質器
９  シフト反応器
１０  一酸化炭素除去器
１１  第１燃料電池本体
１２  燃料処理装置
１３  第２燃料電池本体
１４  燃料ガス回収系統
１５  改質器
１６  シフト反応器
１７  一酸化炭素除去器
【図１】
0003837662.tif 000002
【図２】
0003837662.tif 000003
【図３】
0003837662.tif 000004