JPH10284106A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池発電装置において、熱効率を向上さ
せて、総合効率を向上させる。 【解決手段】 炭化水素を原料として、水素ガスが含有
される燃料ガスを生成する燃料ガス生成部Ｒと、酸素含
有ガスと、燃料ガス生成部Ｒから供給される燃料ガスと
を反応させて発電する燃料電池発電部１と、その燃料電
池発電部１に循環供給される冷却水から水蒸気を分離す
る気水分離部２が設けられた燃料電池発電装置におい
て、燃料ガス生成部Ｒが、供給される炭化水素原料の一
部を燃焼させて燃料ガスを生成するとともに、その燃焼
熱を用いて、炭化水素原料の残部と気水分離部２から供
給される水蒸気とを改質反応させて燃料ガスを生成する
ように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素を原料と
して、水素ガスが含有される燃料ガスを生成する燃料ガ
ス生成部と、酸素含有ガスと、前記燃料ガス生成部から
供給される燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池発
電部と、その燃料電池発電部に循環供給される冷却水か
ら水蒸気を分離する気水分離部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において、従来
は、図３に示すように、燃料ガス生成部Ｒは、所謂、改
質装置３１にて構成していた。改質装置３１は、供給さ
れる炭化水素原料と気水分離部２から供給される水蒸気
とを改質反応させて、水素ガスが含有される燃料ガスを
生成するように構成し、炭化水素原料と水蒸気との改質
反応に必要な反応熱は、バーナ３１ａにて、燃料電池発
電部１から排出される排燃料ガスを燃焼させることによ
り供給するように構成していた。尚、図３中の４は、酸
素含有ガスとしての空気を燃料電池発電部１に供給する
ための空気ブロアである。

【０００３】炭化水素原料としての天然ガス等の原燃料
ガスは、先ず、脱硫装置８に供給して脱硫し、続いて、
エジュクタ１０にて、気水分離装置２から水蒸気路３２
を通じて送られてくる水蒸気と混合した後、改質装置３
１に供給する。改質装置３１にて生成された燃料ガス
は、変成装置１４に送って、変成装置１４にて、燃料ガ
ス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理した
後、燃料電池発電部１に供給する。

【０００４】図中の３３は、気水分離装置２と燃料電池
発電部１とにわたって冷却水を循環させる発電部用冷却
水循環路であり、３４は、気水分離装置２と変成装置１
４とにわたって冷却水を循環させる変成装置用冷却水循
環路であり、３５は両方の冷却水循環路３３，３４にて
冷却水を循環させるための冷却水ポンプである。気水分
離装置２には、水蒸気をエジュクタ１０に送るための水
蒸気路３２に加えて、余剰水蒸気を取り出して排熱利用
するための水蒸気回収路３６を接続してある。又、起動
時に原燃料ガスを燃焼させて、燃料電池発電部１に循環
供給される冷却水を加熱するための起動用ボイラ３７を
設けていた。

【０００５】図中の３８は、燃料電池発電部１にて発電
反応に使用された後、燃料電池発電部１から排出される
排燃料ガスを改質装置３１のバーナ３１ａに導くための
排燃料ガス路である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、かかる燃料
電池発電装置は、発電される電力に加えて、発生する熱
も利用することができるものであり、発電効率（炭化水
素原料にて供給された供給エネルギーに対する発電エネ
ルギーの比率）、及び、熱効率（前記供給エネルギーに
対する取り出された熱エネルギーの比率）を合わせた総
合的な効率（以下、総合効率と略記する場合がある）向
上させることが、性能向上のうえで重要である。しかし
ながら、従来では、燃料電池発電部に供給するための燃
料ガスの全量を、炭化水素原料と気水分離部からの水蒸
気との改質反応（以下、水蒸気改質反応と略記する場合
がある）により生成するようになっているので、気水分
離部にて生成された水蒸気のうち、水蒸気改質反応に利
用される量が多く、その分、排熱利用のために外部に取
り出される量が少なくなり、熱効率が低くなる。従っ
て、熱効率が低いため、総合効率が低くなり、総合効率
を向上させる点で改善の余地があった。

【０００７】本発明は、かかる実情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、燃料電池発電装置において、熱
効率を向上させて、総合効率を向上させることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の特徴構
成によれば、燃料ガス生成部では、供給される炭化水素
原料の全量を燃焼させるのに必要な量よりも少ない量で
供給される酸素含有ガス（例えば、空気）により、供給
される炭化水素原料の一部を燃焼させて水素ガスが含有
される燃料ガスを生成するとともに、その燃焼熱を用い
て、供給される炭化水素原料の残部と気水分離部から供
給される水蒸気とを改質反応させて水素ガスが含有され
る燃料ガスを生成する。

【０００９】供給される燃焼用空気の量は、炭化水素原
料の全量を燃焼させるのに必要な量よりも少ないため
に、炭化水素原料は不完全燃焼を起こすので、水素ガス
が発生する反応を主に起こし、水素ガスが含有される燃
料ガスが生成されるのである。炭化水素原料が、例えば
メタン（ＣＨ₄ ）のときは、主に、下記の反応式１及び
反応式２の反応が起こって、水素ガスを含有した燃料ガ
スが生成される。 ＣＨ₄ ＋Ｏ₂ →ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂ ……………（反応式１） ２ＣＨ₄ ＋Ｏ₂ →２ＣＯ＋４Ｈ₂ ……………（反応式２）

【００１０】又、メタンと水蒸気との改質反応では、下
記の反応式３及び反応式４の反応が起こって、水素ガス
を含有した燃料ガスが生成される。 ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ ……………（反応式３） ＣＨ₄ ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ ……………（反応式４）

【００１１】つまり、燃料電池発電部に供給するための
燃料ガスを、炭化水素原料の一部を燃焼させることと、
炭化水素原料の残部と水蒸気とを改質反応させることと
の協働にて生成し、しかも、吸熱反応である水蒸気改質
反応に必要な反応熱を、炭化水素原料の一部を燃焼させ
ることにより供給するのである。従って、気水分離部に
て生成された水蒸気のうち、水蒸気改質反応のために使
用する量を少なくすることができ、その分、排熱利用の
ために外部に取り出す量を多くすることができるので、
熱効率を向上させて、総合効率を向上させることができ
るようになった。

【００１２】又、従来では、燃料ガス生成部に排燃料ガ
スを燃焼させるためのバーナ（図３において３１ａにて
示される）を備える必要があり、しかも、排燃料ガスを
バーナで燃焼させるため、燃料ガス生成部の最高使用温
度は、燃焼排ガス温度基準の９５０°Ｃ程度にする必要
がある。これに対して、燃料ガス生成部にバーナを備え
る必要がなくなり、しかも、炭化水素原料を不完全燃焼
させるのでその反応温度は低くなり、燃料ガス生成部の
最高使用温度としては、水蒸気改質反応の反応温度（最
高で７５０°Ｃ程度）にまで下げることが可能となる。
従って、従来では、バーナを備える必要があるととも
に、燃料ガス生成部を形成するための材料として、高価
な高耐熱材料を使用する必要があるのに対して、バーナ
が不要になるとともに、燃料ガス生成部を形成するため
の材料として、安価な、一般的な耐熱材料を使用するこ
とができるので、燃料ガス生成部のコストダウンを図る
ことができる。

【００１３】請求項２に記載の特徴構成によれば、気水
分離部からの水蒸気が、炭化水素原料に混合された状態
で、燃料ガス生成部に供給される。気水分離部からの水
蒸気を燃料ガス生成部に供給するための構成として、炭
化水素原料の一部を燃焼させるために燃料ガス生成部に
供給される酸素含有ガスに混合した状態で供給する構成
や、炭化水素原料及びその一部を燃焼させるための酸素
含有ガスとは別個に、直接、燃料ガス生成部に供給する
構成等が想定されるが、これらに比べて、炭化水素原料
に混合した状態で燃料ガス生成部に供給するようにする
と、水蒸気と炭化水素原料とが良好に混合されるので、
水蒸気改質反応を効率よく起こさせることが可能とな
る。従って、供給される炭化水素原料から、より多くの
燃料ガスを生成することができ、それによって、総合効
率を向上させることができるようになった。

【００１４】請求項３に記載の特徴構成によれば、排ガ
ス利用加熱手段により、燃料電池発電部から排出される
排燃料ガスを燃焼させて、燃料電池発電部に循環供給さ
れる冷却水が加熱される。つまり、従来では、水蒸気改
質反応に必要な反応熱を得るために、燃料電池発電部か
ら排出される排燃料ガスを燃焼させていたのであるが、
本件発明では、燃料ガスを生成するために炭化水素原料
の一部を燃焼させることにより生じる熱を、水蒸気改質
反応に必要な反応熱に用いるようにしてあるので、水蒸
気改質反応に必要な反応熱を得るために、燃料電池発電
部から排出される排燃料ガスを燃焼させる必要がないの
である。

【００１５】そこで、燃料電池発電部から排出される排
燃料ガスを用いて、燃料電池発電部に循環供給される冷
却水を加熱することができるので、気水分離部にて生成
される水蒸気量を増大させることができ、それによっ
て、更に多くの水蒸気（高温排熱）を外部に取り出すこ
とができる。ちなみに、従来では、改質装置において排
燃料ガスを燃焼させた燃焼ガスから排熱回収することが
できるものの、温水（低温排熱）の状態でしか回収する
ことができない。低温排熱は、温度が低いため使用上制
約があり、高温排熱に比べて、有効利用が困難である。
従って、外部に取り出すことができる排熱のうち、有効
利用しやすい高温排熱の状態で取り出すことができる割
合を大きくすることができるので、総合効率の向上に加
えて、排熱の有効利用面でも向上させることができるよ
うになった。

【００１６】請求項４に記載の特徴構成によれば、燃料
電池発電装置の起動時には、排ガス利用加熱手段にて炭
化水素原料を燃焼させることにより、燃料電池発電部に
循環供給される冷却水を加熱することができる。従っ
て、排ガス利用加熱手段を、起動時に炭化水素原料を燃
焼させて燃料電池発電部に循環供給される冷却水を加熱
するために、従来、設けられていた起動用加熱手段（図
３における起動用ボイラ３７に相当する）に兼用するこ
とができるので、コストアップを回避しながら、請求項
３に記載の構成により得られる効果を得ることができる
ようになった。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
実施の形態を説明する。図１は、燃料電池発電装置の全
体構成を示し、燃料電池発電装置には、炭化水素を原料
として、水素ガスが含有される燃料ガスを生成する燃料
ガス生成部Ｒと、酸素含有ガスとしての空気と、燃料ガ
ス生成部Ｒから供給される燃料ガスとを反応させて発電
する燃料電池発電部１と、燃料電池発電部１に循環供給
される冷却水から水蒸気を分離する気水分離部としての
気水分離装置２を設けてある。尚、燃料電池発電部１
は、図示を省略するが、リン酸電解質層を備えたリン酸
型燃料電池にて構成してある。

【００１８】燃料ガス生成部Ｒは、主反応装置３にて構
成してあり、その主反応装置３は、供給される炭化水素
原料の一部を燃焼させて燃料ガスを生成するとともに、
その燃焼熱を用いて、前記炭化水素原料の残部と気水分
離装置２から供給される水蒸気とを改質反応させて燃料
ガスを生成するように構成してある。

【００１９】空気ブロア４からの空気は、燃焼用空気路
５を介して、燃焼用として主反応装置３に供給するとと
もに、反応用空気路６を介して、反応用として燃料電池
発電部１に供給する。

【００２０】炭化水素原料としての天然ガス等の原燃料
ガスは、原燃料ガス路７を通じて燃料電池発電装置に供
給する。原燃料ガス路７から供給される原燃料ガスは、
脱硫装置８にて脱硫した後、ガス路９を通じてエジュク
タ１０に送り、エジュクタ１０において、気水分離装置
２から水蒸気路１１を通じて送られてくる水蒸気と混合
した後、ガス路１２を通じて主反応器３に送る。主反応
器３において生成された燃料ガスは、ガス路１３を通じ
て変成装置１４に送り、変成装置１４にて変成処理した
後、ガス路１５を通じて燃料電池発電部１に供給する。
尚、脱硫装置８と変成装置１４とは、一体的に組み付け
て、ユニット状に構成してある。

【００２１】気水分離装置２、燃料電池発電部１、オフ
ガスボイラ１６を記載順に巡る循環経路にて、冷却水を
循環させる発電部用冷却水循環路１７を設けてあり、更
に、気水分離装置２、変成装置１４、オフガスボイラ１
６を記載順に巡る循環経路にて、冷却水を循環させるこ
とができるように、変成装置用冷却水循環路１８を発電
部用冷却水循環路１７に接続してある。図中の１９は、
両方の冷却水循環路１７，１８にて冷却水を循環させる
ための冷却水ポンプである。

【００２２】気水分離装置２には、水蒸気をエジュクタ
１０に送るための水蒸気路１１に加えて、余剰水蒸気を
取り出して排熱利用するための水蒸気回収路２０を接続
してある。図中の２１は、軟水器２２にて軟水化処理し
た水を気水分離装置２に補給するための補給水路であ
る。

【００２３】図中の２３は、燃料電池発電部１にて発電
反応に使用された後、燃料電池発電部１から排出される
排燃料ガスを導くための排燃料ガス路であり、この排燃
料ガス路２３は、オフガスボイラ１６に接続して、燃料
電池発電部１から排出される排燃料ガスをオフガスボイ
ラ１６に導いて、オフガスボイラ１６にて燃焼させるよ
うに構成してある。更に、オフガスボイラ１６には、燃
料電池発電装置の起動時に、オフガスボイラ１６に原燃
料ガスを供給するための起動用ガス路２４を接続してあ
る。つまり、起動時には、原燃料ガスを、起動用ガス路
２４を通じてオフガスボイラ１６に供給して燃焼させ
て、冷却水循環路１７，１８を循環する冷却水を加熱
し、起動された後は、起動用ガス路２４からの原燃料ガ
ス供給を停止して、その代わりに、燃料電池発電部１か
らの排燃料ガスを排燃料ガス路２３を通じてオフガスボ
イラ１６に供給して燃焼させて、冷却水循環路１７，１
８を循環する冷却水を加熱する。

【００２４】従って、オフガスボイラ１６は、排ガス利
用加熱手段に相当し、その排ガス利用加熱手段が、起動
時には炭化水素原料を燃焼させて、燃料電池発電部１に
循環供給される冷却水を加熱するための起動用加熱手段
に兼用するように構成してある。

【００２５】主反応装置３における反応により、アンモ
ニアが合成されて、燃料ガス中に含有される。そこで、
燃料電池発電部１に供給する燃料ガス中のアンモニアを
除去するために、ガス路１５には、通流する燃料ガス中
のアンモニアをリン酸に吸収させて除去するためのスク
ラバ２５を介装してある。排燃料ガス路２３には、そこ
を通流する排燃料ガスを冷却して、排燃料ガス中のリン
酸を液化回収する冷却器２６を介装してある。又、燃料
電池発電部１にて発電反応に使用された後、燃料電池発
電部１から排出される排空気を導くための排空気路２７
にも、そこを通流する排空気を冷却して、排空気中のリ
ン酸を液化回収する冷却器２８を介装してある。そし
て、冷却器２６，２８にて回収されたリン酸は、リン酸
回収路２９を通じて、アンモニア除去用としてスクラバ
２５に供給する。

【００２６】次に、図１及び図２に基づいて、主反応器
３について説明を加える。主反応器３には、通気可能に
構成された触媒層３ａと、触媒層３ａに流入する前に、
原燃料ガス、水蒸気及び空気の混合気体を、生成された
燃料ガスとの熱交換により予熱するための予熱部３ｂ
と、起動時に反応を開始させるための起動用電気ヒータ
３ｃを備えて構成してある。触媒層３ａは、ニッケル又
は貴金属から成る改質触媒から構成してある。

【００２７】燃焼用空気路５からは、ガス路１２にて供
給される原燃料ガスの全量を燃焼させるのに必要な量よ
りも少ない量の燃焼用空気を供給するようにしてある。
従って、供給された原燃料ガスの一部が、触媒層３ａに
おいて不完全燃焼することにより水素ガスが発生し、そ
の反応熱により、触媒層３ａが加熱されて、残りの原燃
料ガスと水蒸気とが改質反応を起こして水素ガスが発生
する。つまり、原燃料ガスの一部の燃焼と、残りの原燃
料ガスと水蒸気との改質反応とが、触媒層３ａにおいて
同時に進行して、水素ガスが含有された燃料ガスが生成
されるのである。原燃料ガスが、例えばメタン（Ｃ
Ｈ₄ ）のときは、主に、上記の反応式１、反応式２、反
応式３及び反応式４の反応が、触媒層３ａにおいて同時
に進行する。

【００２８】尚、生成される水素ガス量が最大となり、
燃焼反応による発熱と改質反応による吸熱とが平衡する
ように、原燃料ガス量に対する水蒸気量及び燃焼用空気
量を設定してある。例えば、原燃料ガス量（炭素のモル
数）に対する水蒸気量（モル数）の比Ｓ／Ｃを２．０
に、原燃料ガス量（炭素のモル数）に対する燃焼用空気
量（酸素のモル数）の比Ｏ／Ｃを０．７７に夫々設定
し、主反応器３において７００°Ｃ程度で反応させる
と、下記のガス組成の燃料ガスを生成することができ
た。 Ｈ₂ ；５１．６０（体積％） Ｎ₂ ；２９．１９（体積％） ＣＨ₄ ；０．３０（体積％） ＣＯ；１０．０４（体積％） ＣＯ₂ ；８．８７（体積％）

【００２９】次に、脱硫装置８について説明を加える。
脱硫装置８では、約２００°Ｃに加熱した脱硫触媒を作
用させて、原燃料ガス中の硫黄分と水素ガスとを下記の
反応式にて反応させて硫化水素を生成し、その硫化水素
を酸化亜鉛等に吸着させる。Ｈ₂ ＋Ｓ→Ｈ₂ Ｓ

【００３０】変成装置１４について説明を加える。変成
装置１４では、変成処理として、変成装置用冷却水循環
路１８にて循環供給される冷却水により、酸化鉄、銅系
等の変成触媒の温度を約３５０°Ｃ程度に維持する状態
で、その変成触媒を作用させて、ガス路１３を通じて供
給される燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを下記の反
応式にて反応させて、一酸化炭素を二酸化炭素に変成す
る。 ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋Ｈ₂

【００３１】上述のように構成することにより、Ｓ／Ｃ
を、例えば３．０程度であった従来に対して、例えば
２．０程度にまで小さくすることができるようになっ
た。従って、排熱利用のために気水分離装置２から水蒸
気回収路２０を通じて取り出すことができる水蒸気の量
を、多くすることができる。

【００３２】そして、Ｓ／Ｃを３．０に、Ｏ／Ｃを０．
７７に夫々設定して運転し、発電効率、熱効率及び総合
効率を評価したところ、ＬＨＶ基準（９９３０）で、発
電効率は３４．６％、熱効率は３１．３％、総合効率は
６５．９％になった。これに対して、従来の燃料電池発
電装置では、Ｓ／Ｃを３．０に設定して運転した場合、
ＬＨＶ基準（９９３０）で、発電効率は３８．０％、熱
効率は２１．７％、総合効率は５９．７％になった。上
述のように、本件発明による燃料電池発電装置では、従
来に比べて、発電効率は僅かに低くなるものの、熱効率
は大幅に高くなるので、発電効率と熱効率を合わせた総
合効率を高くすることができる。

【００３３】〔別実施形態〕次に別実施形態を説明す
る。 （イ） 上記の実施形態においては、エジュクタ１０を
主反応器３とは別体で備える場合について例示したが、
これに代えて、エジュクタ１０を主反応器３に一体的に
組み付けてもよい。この場合は、ガス路１２を省略する
ことができるので、装置構成、特に配管構成を簡略化す
ることができる。

【００３４】（ロ） 上記の実施形態においては、気水
分離装置２からの水蒸気を、原燃料ガスに混合した状態
で、主反応装置３に供給する場合について例示したが、
気水分離装置２からの水蒸気を主反応装置３に供給する
ための構成は、種々変更可能である。例えば、燃焼用空
気に混合した状態で供給してもよい。又、原燃料ガス及
び燃焼用空気とは別個に、直接、供給してもよい。又、
水蒸気、原燃料ガス及び燃焼用空気の全てを、予め混合
してから主反応装置３に供給してもよい。

【００３５】（ハ） Ｓ／Ｃ及びＯ／Ｃは、上記の実施
形態において例示した値に限定されるものではなく、適
宜変更可能である。又、Ｓ／Ｃ及びＯ／Ｃは、使用する
炭化水素原料の種類や、主反応装置３の性能等に応じ
て、適宜設定することができる。いずれの場合でも、Ｓ
／Ｃは、従来よりも小さい値に設定することができる。

【００３６】（ニ） 上記の実施形態では、オフガスボ
イラ１６は、発電部用冷却水循環路１７に介装する場合
について例示したが、これに代えて、気水分離装置２内
の冷却水を取り出して加熱してから、気水分離装置２内
に戻すように設けてもよい。

【００３７】（ホ） 炭化水素原料としては、上記の実
施形態において例示した天然ガス以外にも、ＬＰガス等
種々のものが使用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池発電装置の全体構成を示すブロック図

【図２】主反応装置の縦断面図

【図３】従来の燃料電池発電装置の全体構成を示すブロ
ック図

【符号の説明】

１ 燃料電池発電部 ２ 気水分離部 １６ 排ガス利用加熱手段 Ｒ 燃料ガス生成部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化水素を原料として、水素ガスが含有
   される燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、 酸素含有ガスと、前記燃料ガス生成部から供給される燃
   料ガスとを反応させて発電する燃料電池発電部と、 その燃料電池発電部に循環供給される冷却水から水蒸気
   を分離する気水分離部が設けられた燃料電池発電装置で
   あって、 前記燃料ガス生成部が、供給される炭化水素原料の一部
   を燃焼させて燃料ガスを生成するとともに、その燃焼熱
   を用いて、前記炭化水素原料の残部と前記気水分離部か
   ら供給される水蒸気とを改質反応させて燃料ガスを生成
   するように構成されている燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】 前記気水分離部からの水蒸気が、炭化水
   素原料に混合された状態で、前記燃料ガス生成部に供給
   されるように構成されている請求項１記載の燃料電池発
   電装置。
3. 【請求項３】 前記燃料電池発電部から排出される排燃
   料ガスを燃焼させて、前記燃料電池発電部に循環供給さ
   れる冷却水を加熱する排ガス利用加熱手段が設けられて
   いる請求項１又は２記載の燃料電池発電装置。
4. 【請求項４】 前記排ガス利用加熱手段が、起動時には
   炭化水素原料を燃焼させて、前記燃料電池発電部に循環
   供給される冷却水を加熱するための起動用加熱手段に兼
   用されるように構成されている請求項３記載の燃料電池
   発電装置。