JP2000277139A - 燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents
燃料電池発電システム及びその運転方法Info
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-
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 低温型燃料電池発電システムにおいて、反応
空気に含まれる可能性のある有機溶媒等の不純物ガス
を、ほぼ完全に取り除くことにより、燃料電池のセル特
性への悪影響を排除する。 【解決手段】 空気供給装置20から送給された反応空気
が通る空気供給経路25に、燃焼触媒層10を昇温可能に配
備し、常温の反応空気を、昇温された燃焼触媒層を通過
させるか、又は、昇温された反応空気を燃焼触媒層を通
過させ、反応空気に含まれる有機溶媒等の不純物が燃焼
分解して除去される。反応空気又は燃焼触媒層の昇温用
熱源として、改質器40で生成された高温の改質ガス、改
質ガス生成のために改質器加熱用として使用された燃料
の燃焼排ガス、改質ガス中のＣＯを水蒸気で変成するこ
とによりＣＯ濃度を低減するＣＯ変成器32、改質ガス中
のＣＯを選択的に酸化してＣＯ濃度を低減するＣＯ選択
酸化反応器34などが用いられる。
空気に含まれる可能性のある有機溶媒等の不純物ガス
を、ほぼ完全に取り除くことにより、燃料電池のセル特
性への悪影響を排除する。 【解決手段】 空気供給装置20から送給された反応空気
が通る空気供給経路25に、燃焼触媒層10を昇温可能に配
備し、常温の反応空気を、昇温された燃焼触媒層を通過
させるか、又は、昇温された反応空気を燃焼触媒層を通
過させ、反応空気に含まれる有機溶媒等の不純物が燃焼
分解して除去される。反応空気又は燃焼触媒層の昇温用
熱源として、改質器40で生成された高温の改質ガス、改
質ガス生成のために改質器加熱用として使用された燃料
の燃焼排ガス、改質ガス中のＣＯを水蒸気で変成するこ
とによりＣＯ濃度を低減するＣＯ変成器32、改質ガス中
のＣＯを選択的に酸化してＣＯ濃度を低減するＣＯ選択
酸化反応器34などが用いられる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素リッチな改質
ガスと、酸化剤ガスとしての反応空気との電気化学反応
によって発電を行なう燃料電池発電システム及びその運
転方法の改良に関する。
ガスと、酸化剤ガスとしての反応空気との電気化学反応
によって発電を行なう燃料電池発電システム及びその運
転方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】図８は固体高分子型燃料電池の単位セル
(51)を示しており、該単位セルは、固体高分子電解質膜
(52)の一方の面にアノード(53)、他方の面にカソード(5
4)を形成し、アノード(53)側に改質ガスが流通する燃料
ガス流路(58)、カソード(54)側に反応空気が流通する反
応空気流路(59)を具えた構成である。実用的な固体高分
子型燃料電池は、この単位セル(51)が多数積層されてい
る。なお、アノード(53)は、電解質膜(52)側に電極触媒
層(56)、燃料ガス流路(58)側にガス拡散層(57)が形成さ
れ、カソード(54)は、電解質膜(52)側に電極触媒層(5
6)、反応空気流路(59)側にガス拡散層(57)が形成されて
いる。
(51)を示しており、該単位セルは、固体高分子電解質膜
(52)の一方の面にアノード(53)、他方の面にカソード(5
4)を形成し、アノード(53)側に改質ガスが流通する燃料
ガス流路(58)、カソード(54)側に反応空気が流通する反
応空気流路(59)を具えた構成である。実用的な固体高分
子型燃料電池は、この単位セル(51)が多数積層されてい
る。なお、アノード(53)は、電解質膜(52)側に電極触媒
層(56)、燃料ガス流路(58)側にガス拡散層(57)が形成さ
れ、カソード(54)は、電解質膜(52)側に電極触媒層(5
6)、反応空気流路(59)側にガス拡散層(57)が形成されて
いる。
【０００３】図７は、前記固体高分子型燃料電池を用い
た燃料電池発電システムにおいて、炭化水素を原燃料と
するものにおける代表的な構成例を示している。この燃
料電池発電システム(1)の燃料供給系は、原燃料の炭化
水素に含まれる硫黄分を取り除く脱硫器(42)と、触媒層
に原燃料を通過させて水蒸気改質を行なって水素リッチ
な改質ガスを生成する改質器(40)と、生成された改質ガ
ス中のＣＯを水蒸気で変成することによりＣＯ濃度を低
減するＣＯ変成器(32)と、該ＣＯ変成器で処理された改
質ガス中のＣＯを選択的に酸化してＣＯ濃度を更に低減
するＣＯ選択酸化反応器(34)とを具えており、ＣＯ選択
酸化反応器(34)を出た改質ガスは燃料電池(50)のアノー
ド(53)へ供給される。一方、燃料電池(50)のカソード(5
4)へは、フィルター(22)と空気ブロワー(23)から構成さ
れる空気供給装置(20)より、酸化剤ガスとしての反応空
気が供給されており、改質ガスと反応空気とが電気化学
的に反応して、発電する仕組みになっている。この燃料
電池の直流電力は、インバータで交流電力に変換後、外
部負荷へ給電される。
た燃料電池発電システムにおいて、炭化水素を原燃料と
するものにおける代表的な構成例を示している。この燃
料電池発電システム(1)の燃料供給系は、原燃料の炭化
水素に含まれる硫黄分を取り除く脱硫器(42)と、触媒層
に原燃料を通過させて水蒸気改質を行なって水素リッチ
な改質ガスを生成する改質器(40)と、生成された改質ガ
ス中のＣＯを水蒸気で変成することによりＣＯ濃度を低
減するＣＯ変成器(32)と、該ＣＯ変成器で処理された改
質ガス中のＣＯを選択的に酸化してＣＯ濃度を更に低減
するＣＯ選択酸化反応器(34)とを具えており、ＣＯ選択
酸化反応器(34)を出た改質ガスは燃料電池(50)のアノー
ド(53)へ供給される。一方、燃料電池(50)のカソード(5
4)へは、フィルター(22)と空気ブロワー(23)から構成さ
れる空気供給装置(20)より、酸化剤ガスとしての反応空
気が供給されており、改質ガスと反応空気とが電気化学
的に反応して、発電する仕組みになっている。この燃料
電池の直流電力は、インバータで交流電力に変換後、外
部負荷へ給電される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、空気供給装
置(20)の空気ブロワー(23)により取り込まれる反応空気
は、外気に含まれる塵埃をフィルター(22)で除去する簡
単な前処理が施されただけで、空気供給経路(25)を通じ
て、燃料電池発電システム(1)へ送給される。従って、
外気中に有機溶媒等の不純物が含まれていると、反応空
気はこれら不純物を含んだままで燃料電池(50)のカソー
ド(54)へ供給されることになる。有機溶媒等の不純物
は、酸素と共にガス拡散層(57)を透過して、電極触媒層
(56)に到達するが、固体高分子型燃料電池の作動温度域
(室温〜約８０℃)では、有機溶媒等は分解することはな
い。このため、電極触媒の酸素吸着機能が阻害されるこ
とから、燃料電池のセル特性や寿命の低下を招く問題が
あった。
置(20)の空気ブロワー(23)により取り込まれる反応空気
は、外気に含まれる塵埃をフィルター(22)で除去する簡
単な前処理が施されただけで、空気供給経路(25)を通じ
て、燃料電池発電システム(1)へ送給される。従って、
外気中に有機溶媒等の不純物が含まれていると、反応空
気はこれら不純物を含んだままで燃料電池(50)のカソー
ド(54)へ供給されることになる。有機溶媒等の不純物
は、酸素と共にガス拡散層(57)を透過して、電極触媒層
(56)に到達するが、固体高分子型燃料電池の作動温度域
(室温〜約８０℃)では、有機溶媒等は分解することはな
い。このため、電極触媒の酸素吸着機能が阻害されるこ
とから、燃料電池のセル特性や寿命の低下を招く問題が
あった。
【０００５】かかる問題に着目して、図９に示す如く、
空気供給装置(20)の中に、反応空気に含まれる有機溶媒
等の不純物ガスを除去する不純物除去手段として、白金
等の燃焼触媒層(24)を用いることが提案されている(特
開平７−９４２００号公報)。これは、反応空気が燃焼
触媒層(24)を通過する際、不純物を燃焼(酸化)させて分
解することにより、有機溶媒等を反応空気から除去する
ものである。しかし、空気供給装置(20)の中に熱源はな
く、反応空気は、常温の燃焼触媒層(24)の中を通過させ
るだけであったから、触媒の活性が不十分であり、触媒
燃焼(酸化)効率が低く、反応空気中に含まれる有機溶媒
等の不純物ガスを十分に除去することができなかった。
空気供給装置(20)の中に、反応空気に含まれる有機溶媒
等の不純物ガスを除去する不純物除去手段として、白金
等の燃焼触媒層(24)を用いることが提案されている(特
開平７−９４２００号公報)。これは、反応空気が燃焼
触媒層(24)を通過する際、不純物を燃焼(酸化)させて分
解することにより、有機溶媒等を反応空気から除去する
ものである。しかし、空気供給装置(20)の中に熱源はな
く、反応空気は、常温の燃焼触媒層(24)の中を通過させ
るだけであったから、触媒の活性が不十分であり、触媒
燃焼(酸化)効率が低く、反応空気中に含まれる有機溶媒
等の不純物ガスを十分に除去することができなかった。
【０００６】そこで、本発明者らは、反応空気を、昇温
された燃焼触媒層を通過させるようにし、その際、反応
空気又は燃焼触媒層の昇温用熱源として、燃料電池発電
システム中の高温となる領域を利用することを考え、本
発明を成し得たものである。
された燃焼触媒層を通過させるようにし、その際、反応
空気又は燃焼触媒層の昇温用熱源として、燃料電池発電
システム中の高温となる領域を利用することを考え、本
発明を成し得たものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、原燃料ガスを改質器で水素リッチなガス
に改質し、生成された改質ガスを燃料電池のアノードへ
供給すると共に、空気供給装置から送給された反応空気
を、空気供給経路の中を通して燃料電池のカソードへ供
給し、改質ガスと反応空気との電気化学反応によって発
電する燃料電池発電システムにおいて、空気供給経路に
は燃焼触媒層が昇温可能に配備されており、反応空気
を、昇温された燃焼触媒層を通過させることにより、反
応空気に含まれる有機溶媒等の不純物が燃焼分解して除
去されるようにしたものである。
に、本発明は、原燃料ガスを改質器で水素リッチなガス
に改質し、生成された改質ガスを燃料電池のアノードへ
供給すると共に、空気供給装置から送給された反応空気
を、空気供給経路の中を通して燃料電池のカソードへ供
給し、改質ガスと反応空気との電気化学反応によって発
電する燃料電池発電システムにおいて、空気供給経路に
は燃焼触媒層が昇温可能に配備されており、反応空気
を、昇温された燃焼触媒層を通過させることにより、反
応空気に含まれる有機溶媒等の不純物が燃焼分解して除
去されるようにしたものである。
【０００８】燃焼触媒層は、燃料電池発電システム中の
高温となる領域と熱交換可能に設けることができ、前記
高温となる領域との熱交換によって昇温可能である。或
はまた、燃焼触媒層の上流側に、反応空気の昇温手段
を、燃料電池発電システム中の高温となる領域と熱交換
可能に配備することができ、燃焼触媒層は、前記反応空
気昇温手段によって昇温された反応空気によって昇温可
能である。
高温となる領域と熱交換可能に設けることができ、前記
高温となる領域との熱交換によって昇温可能である。或
はまた、燃焼触媒層の上流側に、反応空気の昇温手段
を、燃料電池発電システム中の高温となる領域と熱交換
可能に配備することができ、燃焼触媒層は、前記反応空
気昇温手段によって昇温された反応空気によって昇温可
能である。
【０００９】燃料電池発電システム中の高温となる領域
として、改質器で生成された高温の改質ガス、改質ガス
生成のために改質器加熱用として使用された燃料の燃焼
排ガス、改質ガス中のＣＯを水蒸気で変成することによ
りＣＯ濃度を低減するＣＯ変成器、改質ガス中のＣＯを
選択的に酸化してＣＯ濃度を低減するＣＯ選択酸化反応
器などを挙げることができる。
として、改質器で生成された高温の改質ガス、改質ガス
生成のために改質器加熱用として使用された燃料の燃焼
排ガス、改質ガス中のＣＯを水蒸気で変成することによ
りＣＯ濃度を低減するＣＯ変成器、改質ガス中のＣＯを
選択的に酸化してＣＯ濃度を低減するＣＯ選択酸化反応
器などを挙げることができる。
【００１０】本発明はさらに、前記構成を具えた燃料電
池発電システムを運転する方法に関するものであって、
反応空気を、昇温された触媒燃焼層を通過させて、反応
空気に含まれる有機溶媒等の不純物を燃焼分解により除
去した後、燃料電池のカソードへ供給するようにしたも
のである。
池発電システムを運転する方法に関するものであって、
反応空気を、昇温された触媒燃焼層を通過させて、反応
空気に含まれる有機溶媒等の不純物を燃焼分解により除
去した後、燃料電池のカソードへ供給するようにしたも
のである。
【００１１】本発明はまた、前記構成の燃焼触媒層に、
触媒燃焼用燃料を供給するための燃料供給経路を連通さ
せ、燃料供給経路に、燃料の供給と供給停止を切り換え
る弁をさらに配備した燃料電池発電システムを運転する
方法に関するものであって、起動時、触媒燃焼用燃料と
反応空気を燃焼触媒層へ供給して、燃料と反応空気とを
燃焼させて燃焼触媒層を昇温させ、反応空気に含まれる
有機溶媒等の不純物を燃焼分解により除去すると共に、
燃焼排ガスを燃料電池のカソードへ供給して、燃料電池
を昇温する第１のステップと、定常運転時、触媒燃焼用
燃料の燃焼触媒層への供給を停止し、反応空気のみを、
昇温した燃焼触媒層を通過させ、反応空気に含まれる有
機溶媒等の不純物を燃焼分解により除去した後、燃料電
池のカソードへ供給する第２のステップによって運転す
るようにしたものである。
触媒燃焼用燃料を供給するための燃料供給経路を連通さ
せ、燃料供給経路に、燃料の供給と供給停止を切り換え
る弁をさらに配備した燃料電池発電システムを運転する
方法に関するものであって、起動時、触媒燃焼用燃料と
反応空気を燃焼触媒層へ供給して、燃料と反応空気とを
燃焼させて燃焼触媒層を昇温させ、反応空気に含まれる
有機溶媒等の不純物を燃焼分解により除去すると共に、
燃焼排ガスを燃料電池のカソードへ供給して、燃料電池
を昇温する第１のステップと、定常運転時、触媒燃焼用
燃料の燃焼触媒層への供給を停止し、反応空気のみを、
昇温した燃焼触媒層を通過させ、反応空気に含まれる有
機溶媒等の不純物を燃焼分解により除去した後、燃料電
池のカソードへ供給する第２のステップによって運転す
るようにしたものである。
【００１２】
【作用及び効果】本発明の燃料電池発電システムは、空
気供給経路中に、燃焼触媒層を昇温可能に配備している
から、反応空気に有機溶媒等の不純物ガスが含まれてい
ても、反応空気が、昇温された燃焼触媒層を通過すると
きに、有機媒体等の不純物ガスは燃焼分解して除去され
るので、セル性能の低下を防止することができる。ま
た、反応空気は適度に昇温された状態で燃料電池のカソ
ードへ供給されるから、燃料電池内の温度分布の均一化
を図ることができる。
気供給経路中に、燃焼触媒層を昇温可能に配備している
から、反応空気に有機溶媒等の不純物ガスが含まれてい
ても、反応空気が、昇温された燃焼触媒層を通過すると
きに、有機媒体等の不純物ガスは燃焼分解して除去され
るので、セル性能の低下を防止することができる。ま
た、反応空気は適度に昇温された状態で燃料電池のカソ
ードへ供給されるから、燃料電池内の温度分布の均一化
を図ることができる。
【００１３】なお、起動時には、燃料電池発電システム
がまだ作動していないため、燃焼触媒層へ反応空気と触
媒燃焼用燃料を供給して触媒燃焼させることにより、反
応空気を昇温させて、有機媒体等の不純物ガスを燃焼分
解することができる。また、その時の触媒燃焼熱で、Ｃ
Ｏ低減手段や燃料電池を昇温することもできる。定常運
転状態になれば、前述のように、燃料電池発電システム
中の高温となる領域を熱源として利用できるから、触媒
燃焼用燃料の供給を停止することにより、熱効率の向上
を図ることができる。
がまだ作動していないため、燃焼触媒層へ反応空気と触
媒燃焼用燃料を供給して触媒燃焼させることにより、反
応空気を昇温させて、有機媒体等の不純物ガスを燃焼分
解することができる。また、その時の触媒燃焼熱で、Ｃ
Ｏ低減手段や燃料電池を昇温することもできる。定常運
転状態になれば、前述のように、燃料電池発電システム
中の高温となる領域を熱源として利用できるから、触媒
燃焼用燃料の供給を停止することにより、熱効率の向上
を図ることができる。
【００１４】本発明の燃料電池発電システムは、固体高
分子型燃料電池、燐酸型燃料電池等のいわゆる低温型燃
料電池の発電システムに対して、好適に適用される。特
に作動温度が室温〜約８０℃の固体高分子型燃料電池に
適している。
分子型燃料電池、燐酸型燃料電池等のいわゆる低温型燃
料電池の発電システムに対して、好適に適用される。特
に作動温度が室温〜約８０℃の固体高分子型燃料電池に
適している。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の特徴は、反応空気を昇温
させるための熱源として、燃料電池発電システム中の高
温となる領域を利用することであり、常温の反応空気
を、昇温された燃焼触媒層を通過させることにより、又
は、昇温された反応空気を、燃焼触媒層を通過させるこ
とにより、反応空気に含まれる有機溶媒等の不純物を燃
焼分解させて除去するものである。
させるための熱源として、燃料電池発電システム中の高
温となる領域を利用することであり、常温の反応空気
を、昇温された燃焼触媒層を通過させることにより、又
は、昇温された反応空気を、燃焼触媒層を通過させるこ
とにより、反応空気に含まれる有機溶媒等の不純物を燃
焼分解させて除去するものである。
【００１６】有機溶媒を触媒燃焼(酸化)させる場合、酸
化開始温度は、通常約１００℃以上であり、ほぼ完全に
燃焼分解する温度は、約１５０℃以上である。従って、
燃焼触媒層を、少なくとも約１００℃、望ましくは約１
５０℃以上の温度に昇温させる必要があり、前記の「高
温となる領域」はこれら温度よりも高い温度であらねば
ならない。
化開始温度は、通常約１００℃以上であり、ほぼ完全に
燃焼分解する温度は、約１５０℃以上である。従って、
燃焼触媒層を、少なくとも約１００℃、望ましくは約１
５０℃以上の温度に昇温させる必要があり、前記の「高
温となる領域」はこれら温度よりも高い温度であらねば
ならない。
【００１７】そこでまず、「燃料電池発電システム中の
高温となる領域」について、炭化水素ガスを原燃料とす
る固体高分子型燃料電池発電システムを例にとり、以下
に説明する。メタンガス、プロパンガス、ナフサ等の炭
化水素の原燃料は、脱硫器で硫黄が除去された後、改質
器へ送られる。改質器では、原燃料は、水蒸気発生器で
発生した水蒸気を用いて触媒上で改質され、水素リッチ
な改質ガスが生成される。この水蒸気による改質反応は
強い吸熱反応であるから、反応を進行させるためには外
部から熱を供給する必要がある。触媒層は、例えばバー
ナにより約３００〜５００℃の温度に加熱されており、
改質器から出た直後の改質ガスの温度は約１５０℃〜約
２００℃であるので、この改質ガスは、前記の「高温と
なる領域」になり得る。
高温となる領域」について、炭化水素ガスを原燃料とす
る固体高分子型燃料電池発電システムを例にとり、以下
に説明する。メタンガス、プロパンガス、ナフサ等の炭
化水素の原燃料は、脱硫器で硫黄が除去された後、改質
器へ送られる。改質器では、原燃料は、水蒸気発生器で
発生した水蒸気を用いて触媒上で改質され、水素リッチ
な改質ガスが生成される。この水蒸気による改質反応は
強い吸熱反応であるから、反応を進行させるためには外
部から熱を供給する必要がある。触媒層は、例えばバー
ナにより約３００〜５００℃の温度に加熱されており、
改質器から出た直後の改質ガスの温度は約１５０℃〜約
２００℃であるので、この改質ガスは、前記の「高温と
なる領域」になり得る。
【００１８】触媒層の加熱にバーナを使用する場合、バ
ーナの燃焼に使用された燃料の燃焼排ガスの温度は約４
００〜５００℃もあるから、この燃焼排ガスは、前記の
「高温となる領域」になり得る。
ーナの燃焼に使用された燃料の燃焼排ガスの温度は約４
００〜５００℃もあるから、この燃焼排ガスは、前記の
「高温となる領域」になり得る。
【００１９】ところで、この固体高分子型燃料電池は、
固体電解質型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池などの高
温型燃料電池に比べて運転温度が低い(常温乃至約８０
℃程度)ため、改質ガス中のＣＯによる電極触媒の被毒
の影響を大きく受ける。炭化水素を原燃料に用いる場
合、改質器出口における改質ガス中のＣＯ濃度は約１０
体積％にも達するから、これを、数ppm乃至約１００ppm
程度(好ましくは約１０ppm以下)まで低減させる必要が
ある。そこで、改質器と燃料電池の間には、ＣＯ変成器
とＣＯ選択酸化反応器が配備され、ＣＯ変成器では、改
質器で生成された改質ガスに水性ガスシフト反応を生じ
させることにより、ＣＯ濃度は約１％程度まで低減され
る。ＣＯ選択酸化反応器では、ＣＯ変成器を出た改質ガ
ス中のＣＯに選択的酸化を施すことにより、ＣＯ濃度は
数ppm乃至約１００ppm程度にまで低減される。なお、メ
タノール等のアルコールを原燃料として用いる場合、改
質器で生成された改質ガスのＣＯ濃度は約１％程度と低
いから、このＣＯ変成器は不要である。
固体電解質型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池などの高
温型燃料電池に比べて運転温度が低い(常温乃至約８０
℃程度)ため、改質ガス中のＣＯによる電極触媒の被毒
の影響を大きく受ける。炭化水素を原燃料に用いる場
合、改質器出口における改質ガス中のＣＯ濃度は約１０
体積％にも達するから、これを、数ppm乃至約１００ppm
程度(好ましくは約１０ppm以下)まで低減させる必要が
ある。そこで、改質器と燃料電池の間には、ＣＯ変成器
とＣＯ選択酸化反応器が配備され、ＣＯ変成器では、改
質器で生成された改質ガスに水性ガスシフト反応を生じ
させることにより、ＣＯ濃度は約１％程度まで低減され
る。ＣＯ選択酸化反応器では、ＣＯ変成器を出た改質ガ
ス中のＣＯに選択的酸化を施すことにより、ＣＯ濃度は
数ppm乃至約１００ppm程度にまで低減される。なお、メ
タノール等のアルコールを原燃料として用いる場合、改
質器で生成された改質ガスのＣＯ濃度は約１％程度と低
いから、このＣＯ変成器は不要である。
【００２０】ＣＯ変成器における水性ガスシフト反応で
は、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒等のＣＯ変成触媒が用いられ、Ｃ
Ｏと水蒸気は水素とＣＯ2に転化されるが、これは発熱
反応であり、定常運転時の触媒層温度は約１８０℃〜約
３００℃に維持されるから、このＣＯ変成器は、前記の
「高温となる領域」になり得る。
は、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒等のＣＯ変成触媒が用いられ、Ｃ
Ｏと水蒸気は水素とＣＯ2に転化されるが、これは発熱
反応であり、定常運転時の触媒層温度は約１８０℃〜約
３００℃に維持されるから、このＣＯ変成器は、前記の
「高温となる領域」になり得る。
【００２１】また、ＣＯ選択酸化反応器では、少量の空
気が混合された改質ガスを、選択酸化触媒を通過させ
て、改質ガス中の水素の酸化を極力抑えつつ、ＣＯのみ
を選択的に酸化させるものである。この反応は発熱反応
であるから、触媒として、Ａｌ2Ｏ3多孔体にＰｔを担持
させたものを用いる場合、定常運転時の触媒温度は約１
５０℃〜約２００℃に維持されるから、このＣＯ選択酸
化反応器は、前記の「高温となる領域」になり得る。
気が混合された改質ガスを、選択酸化触媒を通過させ
て、改質ガス中の水素の酸化を極力抑えつつ、ＣＯのみ
を選択的に酸化させるものである。この反応は発熱反応
であるから、触媒として、Ａｌ2Ｏ3多孔体にＰｔを担持
させたものを用いる場合、定常運転時の触媒温度は約１
５０℃〜約２００℃に維持されるから、このＣＯ選択酸
化反応器は、前記の「高温となる領域」になり得る。
【００２２】なお、燃焼触媒は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ等の
貴金属をハニカム状、ペレット状又は球状に成形したア
ルミナ多孔体又はゼオライトに担持させたものや、これ
ら貴金属をステンレス等の金属繊維に担持したものを挙
げることができる。
貴金属をハニカム状、ペレット状又は球状に成形したア
ルミナ多孔体又はゼオライトに担持させたものや、これ
ら貴金属をステンレス等の金属繊維に担持したものを挙
げることができる。
【００２３】次に、固体高分子型燃料電池を例にとり、
本発明の具体的実施例を、図面を参照しながら説明す
る。なお、以下の実施例１乃至実施例５は、常温の反応
空気を、昇温された燃焼触媒層を通過させる例に関し、
実施例６は、昇温された反応空気を、燃焼触媒層を通過
させる例に関するものである。
本発明の具体的実施例を、図面を参照しながら説明す
る。なお、以下の実施例１乃至実施例５は、常温の反応
空気を、昇温された燃焼触媒層を通過させる例に関し、
実施例６は、昇温された反応空気を、燃焼触媒層を通過
させる例に関するものである。
【００２４】＜実施例１＞この実施例は、ＣＯ低減手段
としてのＣＯ変成器(32)及びＣＯ選択酸化反応器(34)の
外周に、夫々、燃焼触媒層(10)(10)を設けたもので、そ
の構成図を図１に示している。原燃料は脱硫器(42)で脱
硫された後、改質器(40)へ送られる。改質器(40)へはま
た、水蒸気改質のための水蒸気が供給される。改質器(4
0)内には水蒸気改質用触媒が装填され、この水蒸気改質
用触媒はバーナ(44)を用いて加熱される。バーナ(44)の
燃料として、起動時には、通常、原燃料の一部を用いる
が、発電が開始した後の定常運転時には、弁(45)と弁(4
6)を切り換えて、燃料電池(50)のアノード(53)から排出
される未反応のアノード排ガスを導入することにより、
発電システムの熱効率向上を図ることができる。改質器
(40)で生成された改質ガスは、ＣＯ変成器(32)を経て、
少量の空気と混合された後、さらにＣＯ選択酸化反応器
(34)を経て、燃料電池(50)のアノード(53)へ供給され
る。ＣＯ選択酸化のために供給される空気は、空気ブロ
ワーから送り込むことができるし、ガスバーナの空気取
入れ口に一般的に設けられるエゼクタ機構を用いて空気
の吸引を行なうこともできる。
としてのＣＯ変成器(32)及びＣＯ選択酸化反応器(34)の
外周に、夫々、燃焼触媒層(10)(10)を設けたもので、そ
の構成図を図１に示している。原燃料は脱硫器(42)で脱
硫された後、改質器(40)へ送られる。改質器(40)へはま
た、水蒸気改質のための水蒸気が供給される。改質器(4
0)内には水蒸気改質用触媒が装填され、この水蒸気改質
用触媒はバーナ(44)を用いて加熱される。バーナ(44)の
燃料として、起動時には、通常、原燃料の一部を用いる
が、発電が開始した後の定常運転時には、弁(45)と弁(4
6)を切り換えて、燃料電池(50)のアノード(53)から排出
される未反応のアノード排ガスを導入することにより、
発電システムの熱効率向上を図ることができる。改質器
(40)で生成された改質ガスは、ＣＯ変成器(32)を経て、
少量の空気と混合された後、さらにＣＯ選択酸化反応器
(34)を経て、燃料電池(50)のアノード(53)へ供給され
る。ＣＯ選択酸化のために供給される空気は、空気ブロ
ワーから送り込むことができるし、ガスバーナの空気取
入れ口に一般的に設けられるエゼクタ機構を用いて空気
の吸引を行なうこともできる。
【００２５】ＣＯ変成器(32)では約１８０℃〜約３００
℃、ＣＯ選択酸化反応器(34)では約１５０℃〜約２００
℃の温度に維持することにより、反応が効率的に進行す
る。前述したように、ＣＯ変成器(32)での水性ガスシフ
ト反応とＣＯ選択酸化反応器(34)での酸化反応は発熱反
応であるから、ＣＯ変成器(32)及びＣＯ選択酸化反応器
(34)では、温度の上昇を招くが、燃焼触媒層(10)を通過
する反応空気によって冷却され、前記の適正温度に維持
される。燃焼触媒層(10)は、ＣＯ変成器(32)及びＣＯ選
択酸化反応器(34)からの熱伝達により、これらとほぼ同
じ温度まで昇温するから、反応空気に含まれる有機溶媒
等の不純物ガスは完全に酸化されて除去される。なお、
反応空気は、適度に昇温された状態で燃料電池へ供給さ
れるから、燃料電池内部の温度分布の均一化に寄与し、
電池特性の向上を図ることができる。
℃、ＣＯ選択酸化反応器(34)では約１５０℃〜約２００
℃の温度に維持することにより、反応が効率的に進行す
る。前述したように、ＣＯ変成器(32)での水性ガスシフ
ト反応とＣＯ選択酸化反応器(34)での酸化反応は発熱反
応であるから、ＣＯ変成器(32)及びＣＯ選択酸化反応器
(34)では、温度の上昇を招くが、燃焼触媒層(10)を通過
する反応空気によって冷却され、前記の適正温度に維持
される。燃焼触媒層(10)は、ＣＯ変成器(32)及びＣＯ選
択酸化反応器(34)からの熱伝達により、これらとほぼ同
じ温度まで昇温するから、反応空気に含まれる有機溶媒
等の不純物ガスは完全に酸化されて除去される。なお、
反応空気は、適度に昇温された状態で燃料電池へ供給さ
れるから、燃料電池内部の温度分布の均一化に寄与し、
電池特性の向上を図ることができる。
【００２６】＜実施例２＞ところで、起動時、燃料電池
発電システム(1)がまだ作動していない時、ＣＯ変成器
(32)とＣＯ選択酸化反応器(34)では、反応は行われてい
ないため、実施例１の構成では、ＣＯ変成器(32)及びＣ
Ｏ選択酸化反応器(34)を熱源として利用することができ
ず、低温の反応空気が燃料電池(50)のカソード(54)へ供
給される。それゆえ、起動時に供給される反応空気の中
に有機溶媒等の不純物が含まれていると、燃料電池のセ
ル特性や寿命の低下を招く。また、改質ガスを、常温の
ＣＯ変成器(32)及びＣＯ選択反応器(34)へ導入すると、
改質ガス中に含まれる水蒸気が凝縮することがあるか
ら、改質ガス導入の際、ＣＯ変成器(32)及びＣＯ選択反
応器(34)は、少なくとも改質ガスの露点以上の温度に昇
温しておくことが好ましい。さらに、固体高分子型燃料
電池の場合、起動時に、運転温度まで電池本体を昇温さ
せておくことが好ましい。
発電システム(1)がまだ作動していない時、ＣＯ変成器
(32)とＣＯ選択酸化反応器(34)では、反応は行われてい
ないため、実施例１の構成では、ＣＯ変成器(32)及びＣ
Ｏ選択酸化反応器(34)を熱源として利用することができ
ず、低温の反応空気が燃料電池(50)のカソード(54)へ供
給される。それゆえ、起動時に供給される反応空気の中
に有機溶媒等の不純物が含まれていると、燃料電池のセ
ル特性や寿命の低下を招く。また、改質ガスを、常温の
ＣＯ変成器(32)及びＣＯ選択反応器(34)へ導入すると、
改質ガス中に含まれる水蒸気が凝縮することがあるか
ら、改質ガス導入の際、ＣＯ変成器(32)及びＣＯ選択反
応器(34)は、少なくとも改質ガスの露点以上の温度に昇
温しておくことが好ましい。さらに、固体高分子型燃料
電池の場合、起動時に、運転温度まで電池本体を昇温さ
せておくことが好ましい。
【００２７】そこで、この実施例２では、図２に示すよ
うに、ＣＯ選択酸化反応器(34)に隣接して設けられた燃
焼触媒層(10)には、触媒燃焼用燃料(通常は、原燃料が
用いられる)を供給するための燃料供給経路(14)を連通
すると共に、該燃料供給経路(14)に、燃料の供給と供給
停止を切り換える弁(15)を配備したものである。なお、
燃料供給経路(14)及び弁(15)は、ＣＯ変成器に(32)設け
ることもできる。この実施例では、起動時、反応空気と
触媒燃焼用燃料を、ＣＯ選択酸化反応器(34)の燃焼触媒
層(10)へ供給し、該燃焼触媒層で触媒燃焼させることに
より、反応空気を昇温させて、有機媒体等の不純物ガス
を燃焼分解させることができる。このとき発生する燃焼
熱により、ＣＯ選択酸化反応器(34)は昇温される。ここ
での燃焼排ガスは、ＣＯ変成器(32)に隣接して設けられ
た燃焼触媒層(10)を経て、空気供給経路(25)を通り、燃
料電池(50)のカソード(54)へ供給される。このとき、Ｃ
Ｏ変成器(32)と燃料電池(50)は、燃焼排ガスのもつ熱に
よって昇温される。なお、燃焼排ガスの中には、水蒸気
も含まれているため、燃料電池(50)の固体高分子電解質
膜(52)の乾燥は防止される。
うに、ＣＯ選択酸化反応器(34)に隣接して設けられた燃
焼触媒層(10)には、触媒燃焼用燃料(通常は、原燃料が
用いられる)を供給するための燃料供給経路(14)を連通
すると共に、該燃料供給経路(14)に、燃料の供給と供給
停止を切り換える弁(15)を配備したものである。なお、
燃料供給経路(14)及び弁(15)は、ＣＯ変成器に(32)設け
ることもできる。この実施例では、起動時、反応空気と
触媒燃焼用燃料を、ＣＯ選択酸化反応器(34)の燃焼触媒
層(10)へ供給し、該燃焼触媒層で触媒燃焼させることに
より、反応空気を昇温させて、有機媒体等の不純物ガス
を燃焼分解させることができる。このとき発生する燃焼
熱により、ＣＯ選択酸化反応器(34)は昇温される。ここ
での燃焼排ガスは、ＣＯ変成器(32)に隣接して設けられ
た燃焼触媒層(10)を経て、空気供給経路(25)を通り、燃
料電池(50)のカソード(54)へ供給される。このとき、Ｃ
Ｏ変成器(32)と燃料電池(50)は、燃焼排ガスのもつ熱に
よって昇温される。なお、燃焼排ガスの中には、水蒸気
も含まれているため、燃料電池(50)の固体高分子電解質
膜(52)の乾燥は防止される。
【００２８】ＣＯ選択酸化反応器(34)、ＣＯ変成器(32)
及び燃料電池(50)が所定温度まで昇温され、燃料電池の
発電が開始され、定常運転状態になると、触媒燃焼用の
燃料供給経路(14)の弁(15)を閉じて、触媒燃焼用燃料の
供給を停止し、反応空気のみを燃焼触媒層(10)へ供給す
る。発電が開始した後の定常運転については、実施例１
と同じである。
及び燃料電池(50)が所定温度まで昇温され、燃料電池の
発電が開始され、定常運転状態になると、触媒燃焼用の
燃料供給経路(14)の弁(15)を閉じて、触媒燃焼用燃料の
供給を停止し、反応空気のみを燃焼触媒層(10)へ供給す
る。発電が開始した後の定常運転については、実施例１
と同じである。
【００２９】＜実施例３＞実施例３は、空気供給経路(2
5)に筐体構造の反応空気供給マニホールド(26)を設けた
もので、その構成図を図３に示しており、マニホールド
の内部には、ＣＯ低減手段としてのＣＯ変成器(32)及び
ＣＯ選択酸化反応器(34)が配備され、それらの外周に燃
焼触媒層(10)(10)が設けられている。反応空気供給マニ
ホールド(26)の入口には、触媒燃焼用燃料を供給するた
めの燃料供給経路(14)が連通しており、燃料供給経路(1
4)には、燃料の供給と供給停止を切り換える弁(15)が配
備されている。また、反応空気供給マニホールド(26)の
入口へは、空気供給装置(20)から空気供給経路(25)を通
り、反応空気が供給される。改質器(40)で生成された改
質ガスは、ＣＯ変成器(32)を経て、少量の空気と混合さ
れた後、ＣＯ選択酸化反応器(34)をさらに経て、燃料電
池(50)のアノード(53)へ供給される。
5)に筐体構造の反応空気供給マニホールド(26)を設けた
もので、その構成図を図３に示しており、マニホールド
の内部には、ＣＯ低減手段としてのＣＯ変成器(32)及び
ＣＯ選択酸化反応器(34)が配備され、それらの外周に燃
焼触媒層(10)(10)が設けられている。反応空気供給マニ
ホールド(26)の入口には、触媒燃焼用燃料を供給するた
めの燃料供給経路(14)が連通しており、燃料供給経路(1
4)には、燃料の供給と供給停止を切り換える弁(15)が配
備されている。また、反応空気供給マニホールド(26)の
入口へは、空気供給装置(20)から空気供給経路(25)を通
り、反応空気が供給される。改質器(40)で生成された改
質ガスは、ＣＯ変成器(32)を経て、少量の空気と混合さ
れた後、ＣＯ選択酸化反応器(34)をさらに経て、燃料電
池(50)のアノード(53)へ供給される。
【００３０】起動時、触媒燃焼用燃料と反応空気が反応
空気供給マニホールド(26)へ供給され、ＣＯ選択酸化反
応器(34)に隣接して設けられた燃焼触媒層(10)で触媒燃
焼が行われる。ここでの未反応燃料は、ＣＯ変成器(32)
に隣接して設けられた燃焼触媒層(10)でさらに触媒燃焼
が行われる。触媒燃焼によって発生した熱により、ＣＯ
選択酸化反応器(34)とＣＯ変成器(32)は昇温する。ま
た、燃焼排ガスは、燃料電池(50)のカソード(53)へ供給
され、燃料電池(50)は、燃焼排ガスのもつ熱によって昇
温する。燃焼排ガスの中には、水蒸気も含まれているた
め、燃料電池(50)の固体高分子電解質膜(52)の乾燥は防
止される。
空気供給マニホールド(26)へ供給され、ＣＯ選択酸化反
応器(34)に隣接して設けられた燃焼触媒層(10)で触媒燃
焼が行われる。ここでの未反応燃料は、ＣＯ変成器(32)
に隣接して設けられた燃焼触媒層(10)でさらに触媒燃焼
が行われる。触媒燃焼によって発生した熱により、ＣＯ
選択酸化反応器(34)とＣＯ変成器(32)は昇温する。ま
た、燃焼排ガスは、燃料電池(50)のカソード(53)へ供給
され、燃料電池(50)は、燃焼排ガスのもつ熱によって昇
温する。燃焼排ガスの中には、水蒸気も含まれているた
め、燃料電池(50)の固体高分子電解質膜(52)の乾燥は防
止される。
【００３１】ＣＯ選択酸化反応器(34)、ＣＯ変成器(32)
及び燃料電池(50)が所定温度まで昇温し、燃料電池の発
電が開始され、定常運転状態になると、燃料供給経路(1
4)の弁(15)を閉じて、触媒燃焼用燃料の供給を停止し、
反応空気のみを反応空気供給マニホールド(26)へ供給す
る。反応空気が、昇温された燃焼触媒層(10)を通過する
際、反応空気中に含まれる有機溶媒等の不純物は酸化除
去される。一方では、ＣＯ選択酸化反応器(34)とＣＯ変
成器(32)は、反応空気によって冷却されて、適正温度に
維持される。また、燃料電池(50)のカソード(54)へ供給
される反応空気は適度に昇温されているので、燃料電池
内の温度分布を均一なものにすることができる。
及び燃料電池(50)が所定温度まで昇温し、燃料電池の発
電が開始され、定常運転状態になると、燃料供給経路(1
4)の弁(15)を閉じて、触媒燃焼用燃料の供給を停止し、
反応空気のみを反応空気供給マニホールド(26)へ供給す
る。反応空気が、昇温された燃焼触媒層(10)を通過する
際、反応空気中に含まれる有機溶媒等の不純物は酸化除
去される。一方では、ＣＯ選択酸化反応器(34)とＣＯ変
成器(32)は、反応空気によって冷却されて、適正温度に
維持される。また、燃料電池(50)のカソード(54)へ供給
される反応空気は適度に昇温されているので、燃料電池
内の温度分布を均一なものにすることができる。
【００３２】実施例３は、空気供給経路(25)が実質的に
１つの筐体構造となるから、実施例２のような配管は不
要であり、システムの簡素化及びコンパクト化を図るこ
とができる。また、ＣＯ変成器(32)と選択酸化反応器(3
4)は、反応空気供給マニホールド(26)の中に収容されて
いるので、実施例２の場合よりも熱損失が少なく、熱効
率のさらなる向上を達成できる。
１つの筐体構造となるから、実施例２のような配管は不
要であり、システムの簡素化及びコンパクト化を図るこ
とができる。また、ＣＯ変成器(32)と選択酸化反応器(3
4)は、反応空気供給マニホールド(26)の中に収容されて
いるので、実施例２の場合よりも熱損失が少なく、熱効
率のさらなる向上を達成できる。
【００３３】＜実施例４＞この実施例は、改質ガス生成
のために改質器加熱用バーナ(44)で使用された燃料の燃
焼排ガスの熱を、燃焼触媒層(10)の昇温に利用したもの
で、その構成図を図４に示している。燃焼触媒層(10)
は、改質器(40)を出た燃焼排ガスの配管の外周に熱交換
可能に配備される。燃焼排ガスの温度は約４００℃〜約
５００℃であるから、燃焼触媒層(10)もほぼ同じ温度ま
で昇温する。反応空気は、昇温された燃焼触媒層(10)の
中を通過し、反応空気に含まれる有機溶媒等の不純物ガ
スは完全に酸化されて除去される。
のために改質器加熱用バーナ(44)で使用された燃料の燃
焼排ガスの熱を、燃焼触媒層(10)の昇温に利用したもの
で、その構成図を図４に示している。燃焼触媒層(10)
は、改質器(40)を出た燃焼排ガスの配管の外周に熱交換
可能に配備される。燃焼排ガスの温度は約４００℃〜約
５００℃であるから、燃焼触媒層(10)もほぼ同じ温度ま
で昇温する。反応空気は、昇温された燃焼触媒層(10)の
中を通過し、反応空気に含まれる有機溶媒等の不純物ガ
スは完全に酸化されて除去される。
【００３４】燃焼触媒層(10)を通過した後の反応空気の
温度は、約２００℃以上である。しかし、固体高分子型
燃料電池の場合、作動温度は約８０℃以下であるから、
燃料電池のカソードへ供給する温度としては少し高すぎ
る。そこで、反応空気を冷却するのが好ましく、本発明
の実施例では、水蒸気発生器(60)が反応空気冷却手段と
して供される。反応空気は、水蒸気発生器(60)において
水蒸気化前の水との熱交換によって冷却され、適正温度
となって燃料電池(50)のカソード(54)へ供給される。
温度は、約２００℃以上である。しかし、固体高分子型
燃料電池の場合、作動温度は約８０℃以下であるから、
燃料電池のカソードへ供給する温度としては少し高すぎ
る。そこで、反応空気を冷却するのが好ましく、本発明
の実施例では、水蒸気発生器(60)が反応空気冷却手段と
して供される。反応空気は、水蒸気発生器(60)において
水蒸気化前の水との熱交換によって冷却され、適正温度
となって燃料電池(50)のカソード(54)へ供給される。
【００３５】反応空気は、水蒸気発生器(60)で冷却され
ると共に、水蒸気発生のための熱源として利用される。
従来の燃料電池発電システム(図７参照)では、改質器(4
0)の燃焼排ガスは、水蒸気発生器(60)へ供給され、水蒸
気を発生させるだけの熱源として利用されていた。この
実施例では、燃焼触媒層(10)の昇温用としても使用され
るので、熱の有効利用の点で、よりすぐれているといえ
る。
ると共に、水蒸気発生のための熱源として利用される。
従来の燃料電池発電システム(図７参照)では、改質器(4
0)の燃焼排ガスは、水蒸気発生器(60)へ供給され、水蒸
気を発生させるだけの熱源として利用されていた。この
実施例では、燃焼触媒層(10)の昇温用としても使用され
るので、熱の有効利用の点で、よりすぐれているといえ
る。
【００３６】実施例４では、水蒸気発生器(60)と改質器
(40)との間に、過熱器(70)が設けられ、該過熱器は、改
質器(40)で生成された改質ガスと熱交換可能に配備され
ている。水蒸気発生器(60)で蒸発しなかった供給水は、
この過熱器(70)を通過させることにより、完全に水蒸気
化されて、改質器(40)へ供給される。
(40)との間に、過熱器(70)が設けられ、該過熱器は、改
質器(40)で生成された改質ガスと熱交換可能に配備され
ている。水蒸気発生器(60)で蒸発しなかった供給水は、
この過熱器(70)を通過させることにより、完全に水蒸気
化されて、改質器(40)へ供給される。
【００３７】また、水蒸気発生器(60)には、反応空気と
バーナ用燃料(通常は、原燃料が用いられる)を燃焼させ
るバーナ(62)が設けられており、該バーナ(62)には、バ
ーナ用燃料を供給するための燃料供給経路(63)に、燃料
の供給と供給停止を切り換える弁(64)が配備されてい
る。起動時、燃焼触媒層(10)はまだ昇温していないか
ら、バーナ用燃料を水蒸気発生器(60)のバーナ(62)へ供
給する。ここで、反応空気とバーナ用燃料を燃焼させ
て、反応空気中に含まれる有機溶媒等の不純物を燃焼分
解すると共に、水蒸気を発生させる。燃焼排ガスは、空
気供給経路(25)を通り、燃料電池(50)のカソード(53)へ
供給され、燃料電池の昇温に利用される。燃料電池の発
電が開始され、定常運転状態になると、燃料供給経路(6
3)の弁(64)を閉じて、触媒燃焼用燃料の供給を停止す
る。水蒸気発生器(60)へは、燃焼触媒層(10)を通過して
昇温した反応空気が供給され、その熱により、水蒸気を
発生させる。
バーナ用燃料(通常は、原燃料が用いられる)を燃焼させ
るバーナ(62)が設けられており、該バーナ(62)には、バ
ーナ用燃料を供給するための燃料供給経路(63)に、燃料
の供給と供給停止を切り換える弁(64)が配備されてい
る。起動時、燃焼触媒層(10)はまだ昇温していないか
ら、バーナ用燃料を水蒸気発生器(60)のバーナ(62)へ供
給する。ここで、反応空気とバーナ用燃料を燃焼させ
て、反応空気中に含まれる有機溶媒等の不純物を燃焼分
解すると共に、水蒸気を発生させる。燃焼排ガスは、空
気供給経路(25)を通り、燃料電池(50)のカソード(53)へ
供給され、燃料電池の昇温に利用される。燃料電池の発
電が開始され、定常運転状態になると、燃料供給経路(6
3)の弁(64)を閉じて、触媒燃焼用燃料の供給を停止す
る。水蒸気発生器(60)へは、燃焼触媒層(10)を通過して
昇温した反応空気が供給され、その熱により、水蒸気を
発生させる。
【００３８】＜実施例５＞この実施例は、改質器(40)で
生成された改質ガスの熱を、燃焼触媒層(10)の昇温に利
用したもので、その構成図を図５に示している。燃焼触
媒層(10)は、改質器(40)で生成された改質ガスの配管の
外周に熱交換可能に配備される。改質ガスの温度は約３
００℃〜約５００℃であるから、燃焼触媒層(10)もほぼ
同じ温度まで昇温する。反応空気は、昇温された燃焼触
媒層(10)の中を通過し、反応空気に含まれる有機溶媒等
の不純物ガスは完全に酸化されて除去される共に加熱さ
れる。
生成された改質ガスの熱を、燃焼触媒層(10)の昇温に利
用したもので、その構成図を図５に示している。燃焼触
媒層(10)は、改質器(40)で生成された改質ガスの配管の
外周に熱交換可能に配備される。改質ガスの温度は約３
００℃〜約５００℃であるから、燃焼触媒層(10)もほぼ
同じ温度まで昇温する。反応空気は、昇温された燃焼触
媒層(10)の中を通過し、反応空気に含まれる有機溶媒等
の不純物ガスは完全に酸化されて除去される共に加熱さ
れる。
【００３９】反応空気は、実施例４と同様、水蒸気発生
器(60)における水蒸気発生前の水との熱交換によって冷
却されると共に、水蒸気発生のための熱源として利用さ
れる。冷却された反応空気は、空気供給経路(25)を通
り、燃料電池(50)のカソード(54)へ供給される。水蒸気
発生器(60)と改質器(40)との間には、過熱器(70)が設け
られ、該過熱器(70)は、改質器(40)からの燃焼排ガスと
熱交換可能に配備されている。この実施例では、水蒸気
発生器(60)へ供給される反応空気の温度は、実施例４
(改質器の燃焼排ガスを熱源とする例)よりもかなり低い
ため、水蒸気発生器(60)での水蒸気生成量は少ない。し
かし、過熱器(70)で熱交換される改質器(40)からの燃焼
排ガスは高温であるから、過熱器(70)では完全に水蒸気
化される。また、改質ガスと熱交換された後の反応空気
の温度があまり高くない場合、反応空気は、反応空気冷
却手段を経ることなく、直接、燃料電池のカソードへ供
給してもよい。
器(60)における水蒸気発生前の水との熱交換によって冷
却されると共に、水蒸気発生のための熱源として利用さ
れる。冷却された反応空気は、空気供給経路(25)を通
り、燃料電池(50)のカソード(54)へ供給される。水蒸気
発生器(60)と改質器(40)との間には、過熱器(70)が設け
られ、該過熱器(70)は、改質器(40)からの燃焼排ガスと
熱交換可能に配備されている。この実施例では、水蒸気
発生器(60)へ供給される反応空気の温度は、実施例４
(改質器の燃焼排ガスを熱源とする例)よりもかなり低い
ため、水蒸気発生器(60)での水蒸気生成量は少ない。し
かし、過熱器(70)で熱交換される改質器(40)からの燃焼
排ガスは高温であるから、過熱器(70)では完全に水蒸気
化される。また、改質ガスと熱交換された後の反応空気
の温度があまり高くない場合、反応空気は、反応空気冷
却手段を経ることなく、直接、燃料電池のカソードへ供
給してもよい。
【００４０】また、水蒸気発生器(60)には、反応空気と
バーナ用燃料(通常は原燃料が使用される)を燃焼させる
バーナ(62)が設けられており、該バーナには、バーナ用
燃料を供給するための燃料供給経路(63)に、燃料の供給
と供給停止を切り換える弁(64)が配備されている。起動
時、燃焼触媒層(10)はまだ昇温していないから、バーナ
用燃料を水蒸気発生器(60)のバーナへ供給する。反応空
気とバーナ用燃料を燃焼させて、反応空気中に含まれる
有機溶媒等の不純物を燃焼分解すると共に、水蒸気を発
生させる。燃焼排ガスは、空気供給経路(25)を通り、燃
料電池(50)のカソード(54)へ供給され、燃料電池の昇温
に利用される。燃料電池の発電が開始され、定常運転状
態になると、燃料供給経路(63)の弁(64)を閉じて、触媒
燃焼用燃料の供給を停止する。水蒸気発生器(60)へは、
燃焼触媒層(10)を通過して昇温した反応空気が供給され
る。反応空気は水蒸気発生前の水と熱交換が行われた
後、空気供給経路(25)を通って燃料電池(50)のカソード
(54)へ送られる。
バーナ用燃料(通常は原燃料が使用される)を燃焼させる
バーナ(62)が設けられており、該バーナには、バーナ用
燃料を供給するための燃料供給経路(63)に、燃料の供給
と供給停止を切り換える弁(64)が配備されている。起動
時、燃焼触媒層(10)はまだ昇温していないから、バーナ
用燃料を水蒸気発生器(60)のバーナへ供給する。反応空
気とバーナ用燃料を燃焼させて、反応空気中に含まれる
有機溶媒等の不純物を燃焼分解すると共に、水蒸気を発
生させる。燃焼排ガスは、空気供給経路(25)を通り、燃
料電池(50)のカソード(54)へ供給され、燃料電池の昇温
に利用される。燃料電池の発電が開始され、定常運転状
態になると、燃料供給経路(63)の弁(64)を閉じて、触媒
燃焼用燃料の供給を停止する。水蒸気発生器(60)へは、
燃焼触媒層(10)を通過して昇温した反応空気が供給され
る。反応空気は水蒸気発生前の水と熱交換が行われた
後、空気供給経路(25)を通って燃料電池(50)のカソード
(54)へ送られる。
【００４１】＜実施例６＞この実施例は、改質器(40)で
生成された改質ガスの熱を、反応空気の昇温に利用した
もので、その構成図を図６に示している。空気供給経路
(25)には、燃焼触媒層(10)の上流側に、反応空気の昇温
手段としての熱交換器(28)が配備される。熱交換器(28)
は、改質器(40)で生成された改質ガスの配管の外周に熱
交換可能に配備される。改質ガスの温度は約３００℃〜
約５００℃であるから、反応空気もほぼ同じ温度まで昇
温する。昇温された反応空気が、燃焼触媒層(10)の中を
通過すると、燃焼触媒層(10)は昇温するので、反応空気
に含まれる有機溶媒等の不純物ガスは完全に酸化されて
除去される。
生成された改質ガスの熱を、反応空気の昇温に利用した
もので、その構成図を図６に示している。空気供給経路
(25)には、燃焼触媒層(10)の上流側に、反応空気の昇温
手段としての熱交換器(28)が配備される。熱交換器(28)
は、改質器(40)で生成された改質ガスの配管の外周に熱
交換可能に配備される。改質ガスの温度は約３００℃〜
約５００℃であるから、反応空気もほぼ同じ温度まで昇
温する。昇温された反応空気が、燃焼触媒層(10)の中を
通過すると、燃焼触媒層(10)は昇温するので、反応空気
に含まれる有機溶媒等の不純物ガスは完全に酸化されて
除去される。
【００４２】燃焼触媒層(10)を通過した高温の反応空気
は、水蒸気発生器(60)を通り、水蒸気発生器(60)におけ
る水蒸気発生前の水との熱交換によって冷却されると共
に、水蒸気発生のための熱源として利用される。冷却さ
れた反応空気は、空気供給経路(25)を通り、燃料電池(5
0)のカソード(54)へ供給される。なお、燃焼触媒層(10)
は、水蒸気発生器(60)に隣接して設けてもよいし、水蒸
気発生器(60)と熱交換器(28)の間でもよい。
は、水蒸気発生器(60)を通り、水蒸気発生器(60)におけ
る水蒸気発生前の水との熱交換によって冷却されると共
に、水蒸気発生のための熱源として利用される。冷却さ
れた反応空気は、空気供給経路(25)を通り、燃料電池(5
0)のカソード(54)へ供給される。なお、燃焼触媒層(10)
は、水蒸気発生器(60)に隣接して設けてもよいし、水蒸
気発生器(60)と熱交換器(28)の間でもよい。
【００４３】また、燃焼触媒層(10)には、実施例２と同
じように、触媒燃焼用燃料を供給するための燃料供給経
路(14)を連通させると共に、燃料の供給と供給停止を切
り換える弁(15)を配備している。起動時、触媒燃焼用燃
料を燃焼触媒層(10)へ供給し、常温の反応空気と触媒燃
焼させることにより、反応空気を昇温させて、有機媒体
等の不純物ガスを燃焼分解させる。燃焼空気は水蒸気発
生器(60)へ供給され、水蒸気発生器(60)は昇温される。
燃料電池の発電が開始され、定常運転状態になると、反
応空気は、熱交換器(28)にて、改質器(40)で生成した改
質ガスと熱交換が行われて昇温する。そこで、燃料供給
経路(14)の弁(15)を閉じて、触媒燃焼用燃料の供給を停
止し、昇温された反応空気のみを燃焼触媒層(10)へ供給
する。燃焼触媒層(10)は、昇温状態が維持され、有機媒
体等の不純物ガスは酸化分解される。この構成では、実
施例４及び実施例５では独立して設けていた燃焼触媒層
(10)と水蒸気発生用バーナ(62)を、１つの燃焼触媒層(1
0)で兼用できるので、システムの簡素化を図ることがで
きる利点がある。
じように、触媒燃焼用燃料を供給するための燃料供給経
路(14)を連通させると共に、燃料の供給と供給停止を切
り換える弁(15)を配備している。起動時、触媒燃焼用燃
料を燃焼触媒層(10)へ供給し、常温の反応空気と触媒燃
焼させることにより、反応空気を昇温させて、有機媒体
等の不純物ガスを燃焼分解させる。燃焼空気は水蒸気発
生器(60)へ供給され、水蒸気発生器(60)は昇温される。
燃料電池の発電が開始され、定常運転状態になると、反
応空気は、熱交換器(28)にて、改質器(40)で生成した改
質ガスと熱交換が行われて昇温する。そこで、燃料供給
経路(14)の弁(15)を閉じて、触媒燃焼用燃料の供給を停
止し、昇温された反応空気のみを燃焼触媒層(10)へ供給
する。燃焼触媒層(10)は、昇温状態が維持され、有機媒
体等の不純物ガスは酸化分解される。この構成では、実
施例４及び実施例５では独立して設けていた燃焼触媒層
(10)と水蒸気発生用バーナ(62)を、１つの燃焼触媒層(1
0)で兼用できるので、システムの簡素化を図ることがで
きる利点がある。
【００４４】＜実験＞本発明の燃料電池発電システム
(実施例１乃至実施例６)と、図７に示す構成の燃料電池
発電システム(従来例１)と、図９に示す構成の空気供給
装置を用いて構成した燃料電池発電システム(従来例２)
とについて、反応面積１００cm2のセルを６０枚積層し
た固体高分子型燃料電池を用いて、反応空気に含まれる
有機溶媒の影響を調べた。試験条件は、発電時における
負荷電流を３０Aとし、燃料電池本体の低温部温度が７
０℃となった時点から改質ガスを供給して発電を開始
し、運転時の電池作動温度は８０℃(電池中央部の温
度)、反応空気の利用率は２０％、燃料利用率は６０％
とした。反応空気中の不純物ガスはケロシン(有機溶媒)
とし、４０℃のケロシンを吹き付けて蒸発したものを反
応空気中に混入させた。
(実施例１乃至実施例６)と、図７に示す構成の燃料電池
発電システム(従来例１)と、図９に示す構成の空気供給
装置を用いて構成した燃料電池発電システム(従来例２)
とについて、反応面積１００cm2のセルを６０枚積層し
た固体高分子型燃料電池を用いて、反応空気に含まれる
有機溶媒の影響を調べた。試験条件は、発電時における
負荷電流を３０Aとし、燃料電池本体の低温部温度が７
０℃となった時点から改質ガスを供給して発電を開始
し、運転時の電池作動温度は８０℃(電池中央部の温
度)、反応空気の利用率は２０％、燃料利用率は６０％
とした。反応空気中の不純物ガスはケロシン(有機溶媒)
とし、４０℃のケロシンを吹き付けて蒸発したものを反
応空気中に混入させた。
【００４５】それぞれのシステムにおいて、不純物ガス
を混入した場合と、混入しない場合のセル電圧を測定し
た。セル６０個の電圧を測定し、６０個のセル電圧の平
均値を算出し、その結果を表１に示している。
を混入した場合と、混入しない場合のセル電圧を測定し
た。セル６０個の電圧を測定し、６０個のセル電圧の平
均値を算出し、その結果を表１に示している。
【００４６】
【表１】
【００４７】表１の結果をみると、反応空気中に不純物
(ケロシン)が含まれていない場合では、実施例１乃至実
施例６は、従来例よりも平均セル電圧が高い。この理由
として、反応空気は、燃焼触媒層を通過する際に熱交換
が行われ、適度に昇温された状態で燃料電池のカソード
へ供給されるため、燃料電池内の温度分布が均一にな
り、電池特性が向上したものと考えられる。反応空気中
に不純物(ケロシン)が含まれている場合、実施例１乃至
実施例６では、ケロシンが含まれていない場合と比べ
て、平均セル電圧の低下は認められない。これは、ケロ
シンは燃焼触媒層で燃焼分解され、燃料電池のカソード
へ供給される前に完全に除去されたためと考えられる。
これに対し、従来例では、ケロシンが含まれると、平均
セル電圧が低下することを示している。従来例１は、燃
焼触媒層を有していないため、セル電圧の低下が最も大
きい。従来例２は、燃焼触媒層を設けているから、従来
例１よりもセル電圧の低下は小さいが、燃焼触媒層は常
温であるため、触媒活性が小さく、実施例１乃至実施例
６よりもセル電圧の低下が大きくなったものと考えられ
る。
(ケロシン)が含まれていない場合では、実施例１乃至実
施例６は、従来例よりも平均セル電圧が高い。この理由
として、反応空気は、燃焼触媒層を通過する際に熱交換
が行われ、適度に昇温された状態で燃料電池のカソード
へ供給されるため、燃料電池内の温度分布が均一にな
り、電池特性が向上したものと考えられる。反応空気中
に不純物(ケロシン)が含まれている場合、実施例１乃至
実施例６では、ケロシンが含まれていない場合と比べ
て、平均セル電圧の低下は認められない。これは、ケロ
シンは燃焼触媒層で燃焼分解され、燃料電池のカソード
へ供給される前に完全に除去されたためと考えられる。
これに対し、従来例では、ケロシンが含まれると、平均
セル電圧が低下することを示している。従来例１は、燃
焼触媒層を有していないため、セル電圧の低下が最も大
きい。従来例２は、燃焼触媒層を設けているから、従来
例１よりもセル電圧の低下は小さいが、燃焼触媒層は常
温であるため、触媒活性が小さく、実施例１乃至実施例
６よりもセル電圧の低下が大きくなったものと考えられ
る。
【００４８】本発明は上記実施例に限定されるものでな
く、特許請求の範囲に記載された技術的範囲から逸脱す
ることなく、種々の変形を成すことはできる。例えば、
実施例６では、反応空気の昇温用熱源として、改質器で
生成された改質ガスを利用しているが、改質器加熱用バ
ーナ(44)で使用された燃料の燃焼排ガスを利用すること
もできる。
く、特許請求の範囲に記載された技術的範囲から逸脱す
ることなく、種々の変形を成すことはできる。例えば、
実施例６では、反応空気の昇温用熱源として、改質器で
生成された改質ガスを利用しているが、改質器加熱用バ
ーナ(44)で使用された燃料の燃焼排ガスを利用すること
もできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる燃料電池発電システムの実施例
１の構成図である。
１の構成図である。
【図２】本発明にかかる燃料電池発電システムの実施例
２の構成図である。
２の構成図である。
【図３】本発明にかかる燃料電池発電システムの実施例
３の構成図である。
３の構成図である。
【図４】本発明にかかる燃料電池発電システムの実施例
４の構成図である。
４の構成図である。
【図５】本発明にかかる燃料電池発電システムの実施例
５の構成図である。
５の構成図である。
【図６】本発明にかかる燃料電池発電システムの実施例
６の構成図である。
６の構成図である。
【図７】従来の燃料電池発電システムの構成図である。
【図８】固体高分子型燃料電池の単位セルの断面図であ
る。
る。
【図９】従来の空気供給装置を説明する図である。
(1) 燃料電池発電システム (10) 燃焼触媒層 (20) 空気供給装置 (25) 空気供給経路 (26) 反応空気供給マニホールド (28) 熱交換器 (32) ＣＯ変成器 (34) ＣＯ選択酸化反応器 (40) 改質器 (50) 燃料電池 (60) 水蒸気発生器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中岡 透 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 三宅 泰夫 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 米津 育郎 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA09 BA16 BA17 BC06 MM04
Claims (16)
- 【請求項１】 原燃料を改質器(40)で水素リッチなガス
に改質し、生成された改質ガスを燃料電池(50)のアノー
ド(53)へ供給すると共に、空気供給装置(20)から送給さ
れた反応空気を、空気供給経路(25)の中を通過させて燃
料電池(50)のカソード(54)へ供給し、改質ガスと反応空
気との電気化学反応によって発電する燃料電池発電シス
テム(1)において、 空気供給経路(25)には燃焼触媒層(10)が昇温可能に配備
されており、反応空気を、昇温された燃焼触媒層(10)を
通過させることにより、反応空気に含まれる有機溶媒等
の不純物が燃焼分解して除去されるようにしたことを特
徴とする燃料電池発電システム。 - 【請求項２】 燃焼触媒層(10)は、燃料電池発電システ
ム中の高温となる領域と熱交換可能に設けられており、
前記高温となる領域との熱交換によって昇温される請求
項１に記載の燃料電池発電システム。 - 【請求項３】 空気供給経路(25)には、空気供給装置(2
0)と燃料電池(50)のカソード(54)へ連通する筐体構造の
反応空気供給マニホールド(26)とが設けられている請求
項２に記載の燃料電池発電システム。 - 【請求項４】 改質器(40)で生成された改質ガスが、Ｃ
Ｏを低減させるＣＯ低減手段を経て燃料電池(50)のアノ
ード(53)へ供給され、ＣＯ低減手段が燃料電池発電シス
テム中の高温となる領域をなすものにおいて、燃焼触媒
層(10)は、ＣＯ低減手段と熱交換可能に配備されている
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池発電システム。 - 【請求項５】 ＣＯ低減手段は、反応空気供給マニホー
ルド(26)の中に配備されている請求項４に記載の燃料電
池発電システム。 - 【請求項６】 ＣＯ低減手段と熱交換可能に配備された
燃焼触媒層(10)には、触媒燃焼用燃料を供給するための
燃料供給経路(14)が連通しており、燃料供給経路(14)に
は、燃料の供給と供給停止を切り換える弁(15)が配備さ
れている請求項４又は請求項５に記載の燃料電池発電シ
ステム。 - 【請求項７】 ＣＯ低減手段は、改質ガス中のＣＯを水
蒸気で変成することによりＣＯ濃度を低減するＣＯ変成
器(32)、及び／又は、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化
してＣＯ濃度を低減するＣＯ選択酸化反応器(34)である
請求項４乃至請求項６の何れかに記載の燃料電池発電シ
ステム。 - 【請求項８】 改質器(40)で改質ガス生成のための加熱
用として使用された燃料の燃焼排ガスが、燃料電池発電
システム中の高温となる領域をなすものにおいて、燃焼
触媒層(10)は、燃焼排ガスと熱交換可能に配備されてい
る請求項２又は請求項３に記載の燃料電池発電システ
ム。 - 【請求項９】 改質器(40)で生成された改質ガスが、燃
料電池発電システム中の高温となる領域をなすものにお
いて、燃焼触媒層(10)は、改質ガスと熱交換可能に配備
されている請求項２又は請求項３に記載の燃料電池発電
システム。 - 【請求項１０】 空気供給経路(25)の燃焼触媒層(10)の
上流側には、反応空気を昇温する反応空気昇温手段(28)
が、燃料電池発電システム中の高温となる領域と熱交換
可能に配備されており、燃焼触媒層(10)は、前記反応空
気昇温手段(28)によって昇温された反応空気によって昇
温される請求項１に記載の燃料電池発電システム。 - 【請求項１１】 燃焼触媒層(10)には、触媒燃焼用燃料
を供給するための燃料供給経路(14)が連通しており、燃
料供給経路(14)には、燃料の供給と供給停止を切り換え
る弁(15)が配備されている請求項１０に記載の燃料電池
発電システム。 - 【請求項１２】 空気供給経路(25)には、燃焼触媒層(1
0)を通過した反応空気を冷却する反応空気冷却手段が配
備されている請求項８乃至１１の何れかに記載の燃料電
池発電システム。 - 【請求項１３】 改質器(40)での改質を、水蒸気発生器
で発生した水蒸気を用いて行なうものにおいて、反応空
気冷却手段は、燃焼触媒層(10)を通過した反応空気と、
改質用の水とが熱交換可能に配備された水蒸気発生器(6
0)であり、反応空気は、改質用の水との熱交換によって
冷却される請求項１２に記載の燃料電池発電システム。 - 【請求項１４】 水蒸気発生器(60)を加熱する手段とし
て、反応空気とバーナ用燃料を燃焼させるバーナ(62)が
配備されている請求項１３に記載の燃料電池発電システ
ム。 - 【請求項１５】 請求項１に記載された構成を有し、燃
料電池(50)のアノード(53)へ供給された改質ガスと、燃
料電池(50)のカソード(54)へ供給された反応空気との電
気化学反応によって発電する燃料電池発電システム(1)
を運転する方法であって、 反応空気を、昇温された燃焼触媒層(10)を通過させて、
反応空気に含まれる有機溶媒等の不純物を燃焼分解によ
り除去した後、燃料電池(50)のカソード(54)へ供給する
ようにしたことを特徴とする燃料電池発電システムの運
転方法。 - 【請求項１６】 請求項６又は請求項１１に記載された
構成を有し、燃料電池(50)のアノード(53)へ供給された
改質ガスと、燃料電池(50)のカソード(54)へ供給された
反応空気との電気化学反応によって発電する燃料電池発
電システム(1)を運転する方法であって、 起動時、触媒燃焼用燃料と反応空気を燃焼触媒層(10)へ
供給して、燃料と反応空気とを燃焼させて燃焼触媒層(1
0)を昇温させ、反応空気に含まれる有機溶媒等の不純物
を燃焼分解により除去すると共に、燃焼排ガスを燃料電
池(50)のカソード(54)へ供給して、燃料電池(50)を昇温
する第１のステップと、 定常運転時、触媒燃焼用燃料の燃焼触媒層(10)への供給
を停止し、反応空気のみを、昇温された燃焼触媒層(10)
を通過させ、反応空気に含まれる有機溶媒等の不純物を
燃焼分解により除去した後、燃料電池(50)のカソード(5
4)へ供給する第２のステップと、を有していることを特
徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
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