JP3585249B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池発電部に循環供給した冷却水から水蒸気を分離する気水分離器と、原燃料ガスと前記気水分離器から供給される水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成する改質装置と、その改質装置からの改質ガス及び水蒸気を変成反応させて変成ガスを生成する変成装置と、前記気水分離器から供給される水蒸気から熱回収する排熱回収装置と、前記改質装置への原燃料ガス供給量を調整する原燃料ガス供給量調整手段と、前記改質装置への改質用水蒸気供給量を調整する改質用水蒸気供給量調整手段と、前記排熱回収装置への排熱回収用水蒸気供給量を調整する排熱回収用水蒸気供給量調整手段が設けられ、前記燃料電池発電部の電気負荷が大になるほど前記原燃料ガス供給量を大にするように、前記原燃料ガス供給量調整手段を制御する制御手段が設けられた燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる燃料電池発電装置では、ＣＯガスは、燃料電池発電部の触媒の表面に吸着されて触媒の表面を少なくして発生電圧を低下させるという、いわゆるＣＯ被毒の原因となる。従って、改質装置にて炭化水素等の原燃料ガスを改質した改質ガスはＨ_２ ガスとＣＯガスを主成分とするので、その改質ガス中のＣＯガスを変成装置にて改質装置からの水蒸気と変成反応させて、Ｈ_２ ガスとＣＯ_２ ガスを主成分とする変成ガスに変成して、ＣＯガス濃度を低くしている。即ち、変成装置において変成反応用に用いる水蒸気は、改質装置において改質反応用に用いた残りの水蒸気（以下、余剰水蒸気と称する場合もある）を用いている。
又、燃料電池発電部に循環供給した冷却水から分離した水蒸気の一部を、改質装置に改質反応用として供給するとともに、残りを、空調設備、給湯設備等の熱利用設備の熱源として使用するために排熱回収装置に供給する。
【０００３】
ところで、改質用水蒸気供給量調整手段及び排熱回収用水蒸気供給量調整手段にて改質装置への改質用水蒸気供給量を調整していても、運転状態の変動に伴って、気水分離器における水蒸気の発生量が変動するので、実際の改質用水蒸気供給量も変動する。従って、従来では、運転状態の変動に伴って実際の改質用水蒸気供給量が減少した場合でも、確実にＣＯ被毒を防止するために、改質用水蒸気供給量と原燃料ガス供給量との比が大きくなるように（例えば、改質反応用水蒸気と原燃料ガス中の炭素のモル比（Ｓ／Ｃ）が３〜４になるように）、改質用水蒸気供給量調整手段及び排熱回収用水蒸気供給量調整手段を調整していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池発電装置では、改質用水蒸気供給量と原燃料ガス供給量との比を大きくしてＣＯ被毒を防止するものであるため、排熱回収装置への排熱回収用水蒸気供給量を多くし難く、排熱回収率を増加させ難いという問題があった。
【０００５】
本発明は、かかる実情に鑑みて成されたものであり、その目的は、ＣＯ被毒を防止しながら、排熱回収率を増大することが可能となる燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃料電池発電装置の特徴構成は、前記気水分離器の加圧高温水を前記変成装置に供給する供給手段と、その供給手段にて加圧高温水を供給する供給状態と供給しない供給停止状態とに切り換える切り換え手段と、前記原燃料ガス供給量を検出する原燃料ガス供給量検出手段と、前記改質用水蒸気供給量を検出する改質用水蒸気供給量検出手段とが設けられ、前記制御手段が、前記原燃料ガス供給量検出手段及び前記改質用水蒸気供給量検出手段の検出情報に基づいて、検出改質用水蒸気供給量（Ｍｓ）と検出原燃料ガス供給量（Ｍｃ）との関係がＣＯ被毒防止用設定条件になると前記切り換え手段を前記供給停止状態から前記供給状態に切り換えるように構成されている点にある。
【０００７】
【作用】
制御手段は、原燃料ガス供給量検出手段及び改質用水蒸気供給量検出手段の検出情報に基づいて、検出改質用水蒸気供給量（Ｍｓ）と検出原燃料ガス供給量（Ｍｃ）との関係がＣＯ被毒防止用設定条件になると、切り換え手段を供給停止状態から供給状態に切り換える。そして、供給手段から気水分離器の加圧高温水が変成装置に供給され、その加圧高温水から発生した水蒸気が変成反応用に用いられる。
【０００８】
つまり、運転状態の変動に伴って実際の改質用水蒸気供給量が減少して、検出改質用水蒸気供給量（Ｍｓ）と検出原燃料ガス供給量（Ｍｃ）との関係がＣＯ被毒防止用設定条件になると、気水分離器の加圧高温水が変成装置に供給されるので、改質用水蒸気供給量と原燃料ガス供給量との比が小さくなるように、改質用水蒸気供給量調整手段及び排熱回収用水蒸気供給量調整手段を調整しても、ＣＯ被毒を防止することが可能となる。
【０００９】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、ＣＯ被毒を防止しながら、改質用水蒸気供給量と原燃料ガス供給量との比を小さくして、排熱回収装置への排熱回収用水蒸気供給量を多くすることが可能となるので、ＣＯ被毒を防止しながら、排熱回収率を増大することが可能となる燃料電池発電装置を提供することができるようになった。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１中の１は、原燃料ガス供給路２からの天然ガス（ＣＨ_４ ）等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫する脱硫装置である。脱硫装置１にて脱硫された脱硫原燃料ガスをエジェクタ３に供給するように、脱硫装置１とエジェクタ３とを脱硫原燃料ガス供給路４にて接続し、気水分離器５からの水蒸気をエジェクタ３に噴出供給するように、気水分離器５とエジェクタ３とを水蒸気供給路６にて接続してある。エジェクタ３にて混合された脱硫原燃料ガスと水蒸気とを改質装置７に供給するように、エジェクタ３と改質装置７とを被改質ガス供給路２５にて接続してある。
【００１１】
改質装置７にて生成された改質ガスを変成装置８に供給するように、改質装置７と変成装置８とを改質ガス供給路９にて接続してある。尚、図中の７Ａは改質装置７を加熱するためのガスバーナである。又、８Ａは起動時に変成装置８を加熱するための電気ヒータ、８Ｂは変成反応用の酸化鉄又は銅系の触媒である。
【００１２】
図中の１０は、燐酸電解質層を備えた燃料電池発電部であり、この燃料電池発電部１０は、図示しないが、燐酸電解質層の一方の面に燃料極を付設し且つ他方の面に酸素極を付設して構成したセルの多数を積層状に並設して構成してある。図中の１０Ａは、前記セル夫々の前記燃料極に燃料ガスを供給するように設けた燃料ガス供給部であり、１０Ｂは、前記セル夫々の前記酸素極に酸素含有ガスとしての空気を供給するように設けた空気供給部である。
【００１３】
変成装置８にて生成された変成ガスを燃料ガスとして燃料電池発電部１０の燃料ガス供給部１０Ａに供給するように、変成装置８と燃料ガス供給部１０Ａとを変成ガス供給路１１にて接続してある。ファン１２からの空気を空気供給部１０Ｂに供給するように、ファン１２と空気供給部１０Ｂとを空気供給路１３にて接続してある。もって、燃料電池発電部１０における、変成ガス中のＨ_２ ガスと空気中のＯ_２ ガスとの電気化学反応によって、燃料電池発電部１０から直流電力を得られるように構成してある。
【００１４】
燃料電池発電部１０に冷却水を循環供給するように、気水分離器５と燃料電池発電部１０とをポンプ１４を介装した冷却水循環路１５にて接続してあり、又、変成装置８に冷却水を循環供給するように、気水分離器５と変成装置８とをポンプ１４を介装した冷却水循環路１６にて接続してある。気水分離器５は、燃料電池発電部１０及び変成装置８に循環供給した冷却水から水蒸気を分離するように構成してあり、その水蒸気の一部を、水蒸気供給路６にてエジェクタ３を通じて改質装置７に改質反応用として供給すると共に、残りの水蒸気を、排熱回収用水蒸気供給路１７にて排熱回収用として排熱回収装置Ｈとしての熱交換器１８に供給する。熱交換器１８は、気水分離器５からの水蒸気と熱交換することにより得られた水蒸気、高温水を、空調設備、給湯設備等の熱源として供給するように構成してある。
【００１５】
変成装置８には、加圧高温水を変成反応用の触媒８Ｂに散布するノズル１９を配設してある。そして、気水分離器５内の加圧高温水をノズル１９から散布するように、気水分離器５とノズル１９とを高温水供給路２０にて接続してある。
【００１６】
図中の２１は、変成ガス供給路１１を通流する変成ガスの一部を脱流用ガスとして原燃料ガス供給路２に供給する脱流用ガス供給路であり、２２は、燃料電池発電部１０の前記燃料極からの排ガスを燃焼用ガスとしてガスバーナ７Ａに供給する排ガス路であり、２３は、ガスバーナ７Ａからの燃焼排ガス、及び、燃料電池発電部１０の前記空気極からの排ガスを排出する排ガス路である。又、２４は、排ガス路２３を通流する排ガスと熱交換して温水を得るための熱交換器である。
【００１７】
次に、脱硫装置１について説明を加える。
脱硫装置１は、原燃料ガス中の硫黄分と脱流用ガス供給路２１から供給される変成ガス中のＨ_２ ガスとを下記の反応式で反応させて硫化水素とし、この硫化水素を酸化亜鉛に吸着させるように構成してある。
Ｈ_２ ＋Ｓ→Ｈ_２ Ｓ
【００１８】
次に、改質装置７について説明を加える。
改質装置７は、ガスバーナ７Ａにて約７００°Ｃに加熱したニッケル、ルテニウム等の触媒を用いて、原燃料ガス（ＣＨ_４ ）と水蒸気とを下記の反応式で反応させて改質処理するように構成してある。
ＣＨ_４ ＋Ｈ_２ Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２
【００１９】
次に、変成装置８について説明を加える。
変成装置８は、２００〜４００°Ｃ程度に加熱した触媒８Ｂを用いて、水蒸気と改質ガス中のＣＯガスとを下記の反応式で反応させて変成処理するように構成してある。
ＣＯ＋Ｈ_２ Ｏ→ＣＯ_２ ＋Ｈ_２
尚、上記変成反応は発熱反応であるので、起動時には電気ヒータ８Ａにて触媒８Ｂを加熱するが、起動後は、冷却水にて触媒８Ｂの温度を２００〜４００°Ｃ程度に維持する。
【００２０】
次に、燃料電池発電装置の制御構成について説明する。
原燃料ガス供給路２、水蒸気供給路６及び排熱回収用水蒸気供給路１７の夫々には、流量調整用の比例弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の夫々を介装し、高温水供給路２０には開閉弁Ｖ４を介装してある。又、原燃料ガス供給路２には、原燃料ガス供給路２を通流する原燃料ガス流量（原燃料ガス供給量に相当する）を検出する流量検出装置Ｓ１を介装し、水蒸気供給路６には、水蒸気供給路６を通流する改質用水蒸気流量（改質用水蒸気供給量に相当する）を検出する流量検出装置Ｓ２を介装してある。
【００２１】
従って、比例弁Ｖ１は改質装置７への原燃料ガス供給量を調整する原燃料ガス供給量調整手段として、比例弁Ｖ２は改質装置７への改質用水蒸気供給量を調整する改質用水蒸気供給量調整手段として、及び、比例弁Ｖ３は熱交換器１８への排熱回収用水蒸気供給量を調整する排熱回収用水蒸気供給量調整手段として夫々機能する。又、ノズル１９は、気水分離器５の加圧高温水を変成装置８に供給する供給手段Ｋとして機能し、開閉弁Ｖ４は、ノズル１９にて加圧高温水を散布するか否かに切り換える切り換え手段として機能する。又、流量検出装置Ｓ１は原燃料ガス供給量を検出する原燃料ガス供給量検出手段として、流量検出装置Ｓ２は改質用水蒸気供給量を検出する改質用水蒸気供給量検出手段として夫々機能する。
【００２２】
図中のＣは、マイクロコンピュータを利用した制御装置であり、その制御装置Ｃは、比例弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３夫々の開度の制御、及び、流量検出装置Ｓ１，Ｓ２夫々の検出情報に基づく開閉弁Ｖ４の開閉制御を実行する。以下、制御装置Ｃの制御作動について説明する。
【００２３】
予め、比例弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３夫々の目標開度を、燃料電池発電部１０からの出力電流値に応じて以下のように設定して、制御装置Ｃに記憶させてある。
比例弁Ｖ１の目標開度は、原燃料ガス流量が前記出力電流値に応じた適切な流量になるように、前記出力電流値が大になるほど原燃料ガス流量が大になるように設定する。又、比例弁Ｖ２，Ｖ３の夫々の目標開度は、前記出力電流値の変動にかかわらず改質用水蒸気流量と原燃料ガス流量との比が所定の値に維持されるように、改質用水蒸気流量を調整すべく設定する。尚、前記所定の値は、例えば、改質反応用水蒸気と原燃料ガス中の炭素のモル比（Ｓ／Ｃ）が１．５〜２．５になる場合の改質用水蒸気流量と原燃料ガス流量との比に設定する。
【００２４】
制御装置Ｃは、燃料電池発電部１０からの出力電流値を検出する電流検出装置（図示せず）の検出電流値に基づいて、比例弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３夫々の開度を前記目標開度に調整する。
又、制御装置Ｃは、流量検出装置Ｓ１，Ｓ２夫々の検出情報に基づいて、検出改質用水蒸気流量（Ｍｓ）と検出原燃料ガス流量（Ｍｃ）との比（Ｍｓ／Ｍｃ）を演算すると共に、その演算比（Ｍｓ／Ｍｃ）が設定値よりも大きいときは、開閉弁Ｖ４を閉成状態に維持し、前記設定値以下になると、開閉弁Ｖ４を閉成状態から開成状態に切り換える。尚、前記設定値は、改質反応用水蒸気と原燃料ガス中の炭素のモル比（Ｓ／Ｃ）が例えば１．０になるときの改質用水蒸気流量（Ｎｓ）と原燃料ガス流量（Ｎｃ）との比（Ｎｓ／Ｎｃ）に設定する。
従って、制御装置Ｃは、燃料電池発電部１０の電気負荷が大になるほど原燃料ガス供給量を大にするように、比例弁Ｖ１を制御する制御手段として機能する。又、その制御装置Ｃは、検出改質用水蒸気流量（Ｍｓ）と検出原燃料ガス流量（Ｍｃ）との比（Ｍｓ／Ｍｃ）が設定値以下になる条件をＣＯ被毒防止用設定条件として、原燃料ガス供給量検出手段としての流量検出装置Ｓ１及び改質用水蒸気供給量検出手段としての流量検出装置Ｓ２の検出情報に基づいて、検出改質用水蒸気供給量（Ｍｓ）と検出原燃料ガス供給量（Ｍｃ）との関係がＣＯ被毒防止用設定条件になると切り換え手段としての開閉弁Ｖ４を閉成状態から開成状態に切り換えるように構成してある。
【００２５】
〔別実施例〕
次に別実施例を列記する。
▲１▼ 上記実施例では、燃料電池発電部１０からの出力電流値の変動にかかわらず、改質用水蒸気流量と原燃料ガス流量との比が所定の値に維持されるように、改質用水蒸気流量を調整すべく、比例弁Ｖ２，Ｖ３の夫々の開度を制御する場合について例示したが、これに代えて、前記出力電流値の変動にかかわらず、熱交換器１８への排熱回収用水蒸気供給量を所定の量に維持すべく、比例弁Ｖ２，Ｖ３の夫々の開度を制御しても良い。尚、この場合は、前記出力電流値が小になるほど、改質用水蒸気流量と原燃料ガス流量との比が小さくなり、前記出力電流値が所定の値になると、改質用水蒸気流量と原燃料ガス流量との比が前記設定値以下になる。
【００２６】
▲２▼ 上記実施例では、制御装置Ｃを、流量検出装置Ｓ１，Ｓ２夫々の検出情報に基づいて、検出改質用水蒸気流量（Ｍｓ）と検出原燃料ガス流量（Ｍｃ）との比（Ｍｓ／Ｍｃ）を演算すると共に、その演算比（Ｍｓ／Ｍｃ）が設定値以下になると、開閉弁Ｖ４を閉成状態から開成状態に切り換えるように構成したが、これに代えて、検出改質用水蒸気流量（Ｍｓ）と検出原燃料ガス流量（Ｍｃ）とにより改質反応用水蒸気と原燃料ガス中の炭素のモル比（Ｓ／Ｃ）を演算すると共に、その演算モル比（Ｓ／Ｃ）が設定値以下になると、開閉弁Ｖ４を閉成状態から開成状態に切り換えるように構成しても良い。この場合、ＣＯ被毒防止用設定条件としての前記設定値は、変成反応用の余剰水蒸気の量が少なくなってＣＯ被毒が防止できなくなるときの改質用水蒸気と原燃料ガス中の炭素のモル比（Ｓ／Ｃ）に設定する。
【００２７】
▲３▼ 上記実施例では、供給手段Ｋとして，加圧高温水を変成反応用の触媒８Ｂに散布するノズル１９を適用する場合について例示したが、これに代えて、加圧高温水を改質ガス供給路９内に噴出する噴出用ノズルを適用しても良い。
【００２８】
▲４▼ 排熱回収装置Ｈの具体構成は、種々の構成が可能であり、例えば、空調設備そのものにて構成しても良い。この場合は、気水分離器５からの水蒸気が空調設備の熱源として用いられる。
【００２９】
尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例にかかる燃料電池発電装置の全体構成図
【符号の説明】
５ 気水分離器
７ 改質装置
８ 変成装置
１０ 燃料電池発電部
Ｃ 制御手段
Ｈ 排熱回収装置
Ｋ 供給手段
Ｖ１ 原燃料ガス供給量調整手段
Ｖ２ 改質用水蒸気供給量調整手段
Ｖ３ 排熱回収用水蒸気供給量調整手段
Ｖ４ 切り換え手段
Ｓ１ 原燃料ガス供給量検出手段
Ｓ２ 改質用水蒸気供給量検出手段

Claims (1)

1. 燃料電池発電部（１０）に循環供給した冷却水から水蒸気を分離する気水分離器（５）と、原燃料ガスと前記気水分離器（５）から供給される水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成する改質装置（７）と、その改質装置（７）からの改質ガス及び水蒸気を変成反応させて変成ガスを生成する変成装置（８）と、前記気水分離器（５）から供給される水蒸気から熱回収する排熱回収装置（Ｈ）と、前記改質装置（７）への原燃料ガス供給量を調整する原燃料ガス供給量調整手段（Ｖ１）と、前記改質装置（７）への改質用水蒸気供給量を調整する改質用水蒸気供給量調整手段（Ｖ２）と、前記排熱回収装置（Ｈ）への排熱回収用水蒸気供給量を調整する排熱回収用水蒸気供給量調整手段（Ｖ３）が設けられ、前記燃料電池発電部（１０）の電気負荷が大になるほど前記原燃料ガス供給量を大にするように、前記原燃料ガス供給量調整手段（Ｖ１）を制御する制御手段（Ｃ）が設けられた燃料電池発電装置であって、
   前記気水分離器（５）の加圧高温水を前記変成装置（８）に供給する供給手段（Ｋ）と、その供給手段（Ｋ）にて加圧高温水を供給する供給状態と供給しない供給停止状態とに切り換える切り換え手段（Ｖ４）と、前記原燃料ガス供給量を検出する原燃料ガス供給量検出手段（Ｓ１）と、前記改質用水蒸気供給量を検出する改質用水蒸気供給量検出手段（Ｓ２）とが設けられ、前記制御手段（Ｃ）が、前記原燃料ガス供給量検出手段（Ｓ１）及び前記改質用水蒸気供給量検出手段（Ｓ２）の検出情報に基づいて、検出改質用水蒸気供給量（Ｍｓ）と検出原燃料ガス供給量（Ｍｃ）との関係がＣＯ被毒防止用設定条件になると前記切り換え手段（Ｖ４）を前記供給停止状態から前記供給状態に切り換えるように構成されている燃料電池発電装置。

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