JPH1145732A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価なコストで消化ガス等の燃料を用いる燃
料電池発電装置を提供する。 【解決手段】 一酸化炭素変成器６の出口から複合熱交
換器３の入口に接続された水素供給用リサイクル管８
を、固定オリフィス９の上流側で分岐させ、水素供給用
リサイクル管８ａとして脱硫器２の入口に接続する。燃
料電池発電装置の高負荷運転時には、流量調整弁１０を
開として、複合熱交換器３によって予熱された燃料に予
熱されていないリサイクルガスを合流させる。このリサ
イクルガスの流量を調整することにより、脱硫器２の上
流で燃料の温度上昇を抑制し、脱硫器２の温度上昇を防
止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、都市ガス等を使用
する燃料電池発電装置に係り、特に、燃料中に含まれる
硫黄分を除去するための脱硫器を有する燃料電池発電装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置は、水素発生装置によ
り生成された水素ガスと空気中の酸素の結合エネルギー
を直接電気エネルギーに変換するものであり、化学反応
を利用した発電システムであるため、発電効率が高く、
しかも大気汚染物質の排出が少なく、騒音も低いという
環境性に優れた発電システムとして高く評価されてい
る。

【０００３】このような燃料電池発電装置として都市ガ
スを燃料とするものが知られており、都市ガスから水素
を生成する装置、その水素を生成するために適した温度
等の条件を保つための熱交換器、及び水素供給リサイク
ルライン等によって構成されている。図４に、従来の燃
料電池発電装置の一般的な構成を示す。同図において、
燃料電池発電装置は、水素と空気中の酸素から電気を発
生させる燃料電池本体７、都市ガス等の炭化水素系燃料
に含まれる硫黄分を除去する脱硫器２、この脱硫器２に
よって硫黄分を除去された燃料を水素リッチガスに改質
する改質器５、及び燃料電池本体７に供給される燃料ガ
ス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素変成器６等によ
って構成されている。

【０００４】また、導入される燃料の流量を調整するた
めの燃料流量調整弁１と、上記脱硫器２との間には、複
合熱交換器３が設けられている。そして、導入された燃
料は、一酸化炭素変成器６の出口から分岐された水素供
給用リサイクル管８を介して、水素リッチのリサイクル
ガスと合流し、複合熱交換器３によって予熱された後に
脱硫器２に供給されるようになっている。ここで、上記
燃料と合流するリサイクルガスは、水素供給用リサイク
ル管８に設けられた固定オリフィス９によって、その必
要な流量が確保されるようになっている。

【０００５】ところで、近年、エネルギーの有効利用の
観点から、下水処理状等での汚泥嫌気性処理（消化プロ
セス）で発生する消化ガスを、燃料電池発電装置の燃料
として使用することが試みられている。このような消化
ガスを用いた燃料電池発電装置では、設備費用を安価に
するために、上述した都市ガス用の燃料電池発電装置を
採用することが考えられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来に燃料電池発電装置においては、以下のような問
題点があった。すなわち、メタンが９０％以上の都市ガ
スに対し、メタンが６０％で残りが二酸化炭素等の不純
物からなる消化ガスでは、燃料電池発電装置の運転負荷
が低い場合と高い場合とで脱硫器の温度が極端に異なる
ということが、試験結果から得られている。これは、上
記のようにメタンの濃度が異なることから、消化ガスの
場合、都市ガスの１．６〜１．７倍の流量が必要である
ためである。

【０００７】そのため、燃料系の熱バランスが崩れ、燃
料電池発電装置の高負荷時に脱硫器の温度が高くなり、
脱硫器を保護するために燃料電池発電装置の運転を停止
しなければならない。これを避けるためには、燃料電池
発電装置の低負荷時と高負荷時の脱硫器の温度を適性な
温度に保つべく、脱硫器の上流に設けられた複合熱交換
器の特性を変更しなければならなかった。すなわち、複
合熱交換器の設計変更が必要となり、コストが高くなる
という問題があった。

【０００８】本発明は、以上のような従来技術の課題を
解決するために提案されたものであり、その目的は、リ
サイクルガスの流量を容易に、かつ、簡単な構成で変更
することにより、都市ガス用の燃料電池発電装置を安価
なコストで、消化ガス等のメタン濃度の異なる燃料に流
用することを可能にした燃料電池発電装置を提供するこ
とである。

【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、請求項１記載の発明による燃料電池発電装置は、
水素と空気中の酸素から電気を発生させる燃料電池本体
を有し、燃料を予熱する燃料予熱器と、前記予熱された
燃料中に含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、前記硫黄
分を除去された燃料を水素リッチガスに改質する改質器
と、前記水素リッチガスに改質され前記燃料電池本体に
供給される燃料ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭
素変成器と、前記一酸化炭素変成器の出口から前記燃料
予熱器の入口に接続され、前記燃料予熱器の上流で前記
燃料と前記一酸化炭素変成器からのリサイクルガスとを
合流させる第１のリサイクルラインとを備えた燃料電池
発電装置において、前記一酸化炭素変成器の出口から前
記脱硫器の入口に接続され、前記脱硫器の上流で前記燃
料予熱器によって予熱された燃料と前記一酸化炭素変成
器からのリサイクルガスとを合流させる第２のリサイク
ルラインを具備することを特徴としている。

【００１０】以上のような請求項１記載の発明によれ
ば、例えば燃料電池発電装置の運転負荷が高い場合、第
１のリサイクルラインからのリサイクルガスと合流した
後に燃料予熱器によって予熱された燃料に、第２のリサ
イクルラインからのリサイクルガスを合流させることに
より、脱硫器の上流で燃料の温度上昇を抑制することが
できる。そのため、燃料予熱器、脱硫器、改質器、一酸
化炭素変成器、及び燃料電池本体からなる都市ガス等の
ための燃料電池発電装置において、燃料予熱器の設計を
変更することなく、容易に、消化ガスを採用することが
できる。すなわち、安価なコストで消化ガス用の燃料電
池発電装置を提供することができる。

【００１１】請求項２記載の発明による燃料電池発電装
置は、請求項１記載の発明において、前記第２のリサイ
クルラインに、前記リサイクルガスの流量を調整する流
量調整弁が設けられたことを特徴としている。

【００１２】以上のような請求項２記載の発明によれ
ば、例えば、燃料電池発電装置の運転負荷が低い場合
は、第２のリサイクルラインの流量調整弁を閉じ、運転
負荷が高い場合は、上記流量調整弁を開いて、予熱後の
燃料に予熱無しのリサイクルガスを合流させるようにす
る。これにより、燃料電池発電装置の高負荷時の脱硫器
の温度上昇を防止することができ、都市ガス等のための
燃料電池発電装置に容易に消化ガスを採用することがで
きる。

【００１３】請求項３記載の発明による燃料電池発電装
置は、請求項２記載の発明において、各部の制御を行う
制御装置を具備し、前記第２のリサイクルラインに、前
記リサイクルガスの流量を調整する電磁弁が設けられ、
該電磁弁が、前記制御装置の制御により開閉することを
特徴としている。

【００１４】以上のような請求項３記載の発明によれ
ば、制御装置の制御により、電磁弁が開き、脱硫器の上
流において合流するリサイクルガスの流量が増加する。
これにより、脱硫器に供給される燃料の温度の上昇を抑
制することができる。このように、人手によることな
く、自動的に燃料の温度を調整することができる。

【００１５】請求項４記載の発明による燃料電池発電装
置は、請求項３記載の発明において、前記制御装置が、
当該燃料電池発電装置の運転負荷が高い場合に前記電磁
弁が開となるよう制御することを特徴としている。

【００１６】以上のような請求項４記載の発明によれ
ば、例えば、制御装置に対し、燃料電池発電装置の高負
荷を示す信号が入力された場合に、自動的に電磁弁が開
いて燃料と合流するリサイクルガスの流量が増加する。
従って、燃料電池発電装置の高負荷運転時に、自動的に
脱硫器の温度上昇を防止することができる。

【００１７】請求項５記載の発明による燃料電池発電装
置は、請求項３記載の発明において、前記脱硫器が、該
脱硫器の温度を検出する脱硫器温度計を有し、前記制御
装置が、前記脱硫器温度計によって検出される前記脱硫
器の温度に基づいて、前記電磁弁の開閉制御を行うこと
を特徴としている。

【００１８】以上のような請求項５記載の発明によれ
ば、脱硫器温度計によって検出される脱硫器の温度が所
定の温度より高くなった場合に、制御装置により自動的
に電磁弁が開となって、合流するリサイクルガスの流量
が増加する。従って、燃料電池発電装置の低負荷運転時
であっても、脱硫器の温度が上昇するとリサイクルガス
の流量を自動的に増加させることができ、脱硫器を保護
することができる。

【００１９】請求項６記載の発明による燃料電池発電装
置は、請求項３記載の発明において、前記脱硫器が、該
脱硫器の温度を検出する脱硫器温度計を有し、前記制御
装置が、当該燃料電池発電装置の運転負荷が高く、か
つ、前記脱硫器温度計によって検出される前記脱硫器の
温度が高い場合に、前記電磁弁が開となるよう制御する
ことを特徴としている。

【００２０】以上のような請求項６記載の発明によれ
ば、制御装置は、例えば燃料電池発電装置の高負荷運転
を示す信号が入力され、かつ、脱硫器温度計によって検
出される脱硫器の温度が所定の温度より高くなった場合
にのみ、電磁弁が開となるように制御する。これによ
り、高負荷運転時であっても脱硫器の温度が低下した場
合にはリサイクルガスが増加せず、リサイクルガスの流
量が多いために脱硫器の温度が必要以上に低下すること
が防止される。

【００２１】請求項７記載の発明による燃料電池発電装
置は、水素と空気中の酸素から電気を発生させる燃料電
池本体を有し、燃料を予熱する燃料予熱器と、前記予熱
された燃料中に含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、前
記硫黄分を除去された燃料を水素リッチガスに改質する
改質器と、前記水素リッチガスに改質され前記燃料電池
本体に供給される燃料ガス中の一酸化炭素を低減する一
酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器の出口から前
記燃料予熱器の入口に接続され、前記燃料予熱器の上流
で前記燃料と前記一酸化炭素変成器からのリサイクルガ
スとを合流させる第１のリサイクルラインとを備えた燃
料電池発電装置において、前記燃料予熱器の上流で前記
燃料と前記一酸化炭素変成器からのリサイクルガスとを
合流させ、該リサイクルガスの流量を調整する流量調整
弁が設けられた第２のリサイクルラインを具備すること
を特徴としている。

【００２２】以上のような請求項７記載の発明によれ
ば、燃料予熱器の上流で合流させるリサイクルガスの流
量を調整することにより、予熱後の燃料の温度上昇を防
止することができる。そのため、燃料予熱器、脱硫器、
改質器、一酸化炭素変成器、及び燃料電池本体からなる
都市ガス等のための燃料電池発電装置において、燃料予
熱器の設計を変更することなく、容易に、消化ガスを採
用することができる。すなわち、安価なコストで消化ガ
ス用の燃料電池発電装置を提供することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明による燃料電池発
電装置の具体的な実施の形態について、図面を参照して
説明する。なお、上述した従来技術と同一の部材につい
ては同一の符号を付し、その説明は省略する。

【００２４】［１．第１の実施の形態］図１は、本実施
の形態の燃料電池発電装置の構成を示す図である。同図
において、一酸化炭素変成器６の出口から分岐する水素
供給用リサイクル管８は、固定オリフィル９の上流で更
に分岐して水素供給用リサイクル管８ａを形成してい
る。この水素供給用リサイクル管８ａは、脱硫器２の入
口に接続されており、複合熱交換器３によって加熱され
た燃料に、加熱されていないリサイクルガスが合流し得
るようになっている。また、水素供給用リサイクル管８
ａには流量調整弁１０が設けられており、燃料に合流さ
せるリサイクルガスの流量を調整するようになってい
る。

【００２５】以上のような構成を有する燃料電池発電装
置の作用効果について説明する。燃料電池発電装置の低
負荷運転時には、流量調整弁１０が閉じられ、従来と同
様に動作する。すなわち、燃料流量調整弁１を介して導
入される消化ガスは、複合熱交換器３によって加熱され
た後、脱硫器２において硫黄分が除去される。その後、
消化ガスは、エゼクタ４において図示しない蒸気ライン
から供給される蒸気により吸引され、改質器５において
水素リッチガスに改質される。そして、一酸化炭素変成
器６において一酸化炭素が低減された後に、燃料電池本
体７に供給される。また、一酸化炭素変成器６の出口か
ら分岐された水素供給用リサイクル管８により、複合熱
交換器３の上流側で、導入される消化ガスが水素リッチ
のリサイクルガスと合流する。

【００２６】一方、燃料電池発電装置の高負荷運転時に
は、以下のように動作する。すなわち、流量調整弁１０
が開となり、一酸化炭素変成器６からのリサイクルガス
が水素供給用リサイクル管８ａを流れる。そのため、燃
料流量調整弁１によって導入される消化ガスは、複合熱
交換器３の上流で、固定オリフィス９を介して供給され
るリサイクルガスと合流し、複合熱交換器３によって加
熱された後、水素供給用リサイクル管８ａから供給され
る加熱されていないリサイクルガスと合流する。このと
き、流量調整弁１０によって合流させるリサイクルガス
の流量を調整することにより、脱硫器２の上流側で燃料
ガスの温度を低下させることができる。

【００２７】従って、燃料電池発電装置の高負荷時に脱
硫器２の温度が上昇するのを防止することができる。す
なわち、都市ガス等の燃料電池発電装置において、複合
熱交換器３の設計を変更することなく、容易に、消化ガ
スを採用することが可能となる。

【００２８】また、燃料電池発電装置の停止時には、流
量調整弁１０を閉状態とし、窒素等の不活性ガスを供給
することにより、脱硫器２、改質器５、及び一酸化炭素
変成器６内に残留している可燃性ガスをパージさせる。
これにより、脱硫器２、改質器５、及び一酸化炭素変成
器６内をバイパスすることなく、十分に可燃性ガスをパ
ージさせることができる。

【００２９】［２．第２の実施の形態］図２は、本実施
の形態の燃料電池発電装置の構成を示す図である。同図
において、上述した第１の実施の形態と同様に、水素供
給用リサイクル管８が固定オリフィス９の上流で脱硫器
２の入口側に分岐している。本実施の形態では、図１に
示す流量調整弁１０の代わりに電磁弁１１が設けられて
いる。そして、この電磁弁１１は、図２に示すように、
プラント制御装置１２によって開閉が制御されるように
なっている。すなわち、プラント制御装置１２に対し、
燃料電池発電装置の高負荷運転の指令が入力されると、
プラント制御装置１２からの指令によって電磁弁１１が
開となり、脱硫器２の上流で燃料ガスと合流するリサイ
クルガスの流量が自動的に増加するようになっている。

【００３０】また、図２に示すように、通常、脱硫器２
には脱硫器温度計１３が設けられており、脱硫器２の温
度が常時検出されるようになっている。本実施の形態で
は、この脱硫器温度計１３の検出結果がプラント制御装
置１２に供給されるようになっている。そして、プラン
ト制御装置１２は、脱硫器温度計１３によって検出され
る温度が一定の温度より高くなると、電磁弁１２に対し
て開の指令を与える。すなわち、燃料電池発電装置が低
負荷の場合であっても、脱硫器２の温度が一定温度以上
となった場合に、電磁弁１２を開とすることによって自
動的にリサイクルガスの流量を増加させることができ
る。

【００３１】更に、図２に示すように、通常、脱硫器２
内には脱硫器ヒータ１４が設けられており、脱硫器２の
温度を適性温度に保つようになっている。すなわち、脱
硫器２の温度が適性温度よりも低下した場合に、この脱
硫器ヒータ１４が作動するようになっている。本実施の
形態では、燃料電池発電装置の高負荷運転時に、プラン
ト制御装置１２に高負荷運転の指令が入力され、かつ、
脱硫器温度計１３の検出温度が所定の温度以上になった
場合にのみ、プラント制御装置１２から電磁弁１１に開
の指令を与えるようにしてもよい。

【００３２】すなわち、高負荷運転時に水素供給用リサ
イクル管８ａからのリサイクルガスが増加し、脱硫器２
の温度が必要以上に低下した場合には、通常ならば脱硫
器ヒータ１４が作動する。しかしながら、上記のように
高負荷運転の指令と脱硫器温度系１３の検出温度上昇と
の双方の条件を満たした場合にのみ電磁弁１１を開とす
ることにより、脱硫器ヒータ１４を作動する必要を無く
すことができる。従って、消化ガスのみで脱硫器２の温
度調整を行うことが可能となる。

【００３３】また、燃料電池発電装置の停止時には、電
磁弁１１を閉状態とし、窒素等の不活性ガスを供給する
ことにより、脱硫器２、改質器５、及び一酸化炭素変成
器６内に残留している可燃性ガスをパージさせる。これ
により、脱硫器２、改質器５、及び一酸化炭素変成器６
内をバイパスすることなく、十分に可燃性ガスをパージ
させることができる。

【００３４】［３．第３の実施の形態］図３は、本実施
の形態の燃料電池発電装置の構成を示す図である。同図
において、固定オリフィス９の上流側で分岐した水素供
給用リサイクル管８ａは、第１及び第２の実施の形態の
ように脱硫器２の入口ではなく、固定オリフィス９の下
流側に接続されている。

【００３５】このような構成において、水素供給リサイ
クル管８ａの流量調整弁１０により、複合熱交換器３の
上流で消化ガスと合流させるリサイクルガスの流量を調
整する。すなわち、燃料電池発電装置の高負荷運転時に
は、合流させるリサイクルガスの流量を増加させ、脱硫
器２の温度上昇を防止する。

【００３６】また、燃料電池発電装置の停止時には、流
量調整弁１０を閉状態とし、窒素等の不活性ガスを供給
することにより、脱硫器２、改質器５、及び一酸化炭素
変成器６内に残留している可燃性ガスをパージさせる。
これにより、脱硫器２、改質器５、及び一酸化炭素変成
器６内をバイパスすることなく、十分に可燃性ガスをパ
ージさせることができる。

【００３７】なお、本実施の形態における流量調整弁１
０の代わりに、図２に示す第２の実施の形態における電
磁弁１１を設け、プラント制御装置１２によって開閉制
御するようにしてもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、燃料に
合流させるリサイクルガスの流量を増加させることによ
って、脱硫器の温度上昇を抑制することが可能となる。
そのため、都市ガス等のための燃料電池発電装置におい
て、複合熱交換器等の燃料予熱器の設計を変更すること
なく、都市ガスとはメタンの濃度が異なる消化ガス等を
容易に採用することが可能となる。従って、安価なコス
トで、消化ガス等のメタン濃度の異なる燃料のための燃
料電池発電装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による燃料電池発電
装置の構成を示す図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態による燃料電池発電
装置の構成を示す図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態による燃料電池発電
装置の構成を示す図である。

【図４】従来の燃料電池発電装置の構成例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…燃料流量調整弁 ２…脱硫器 ３…複合熱交換器（燃料予熱器） ４…エゼクタ ５…改質器 ６…一酸化炭素変成器 ７…燃料電池本体 ８…水素供給用リサイクル管（第１のリサイクルライ
ン） ８ａ…水素供給用リサイクル管（第２のリサイクルライ
ン） ９…固定オリフィス １０…流量調整弁 １１…電磁弁 １２…プラント制御装置（制御装置） １３…脱硫器温度計 １４…脱硫器ヒータ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素と空気中の酸素から電気を発生させ
   る燃料電池本体を有し、燃料を予熱する燃料予熱器と、
   前記予熱された燃料中に含まれる硫黄分を除去する脱硫
   器と、前記硫黄分を除去された燃料を水素リッチガスに
   改質する改質器と、前記水素リッチガスに改質され前記
   燃料電池本体に供給される燃料ガス中の一酸化炭素を低
   減する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器の出
   口から前記燃料予熱器の入口に接続され、前記燃料予熱
   器の上流で前記燃料と前記一酸化炭素変成器からのリサ
   イクルガスとを合流させる第１のリサイクルラインとを
   備えた燃料電池発電装置において、 前記一酸化炭素変成器の出口から前記脱硫器の入口に接
   続され、前記脱硫器の上流で前記燃料予熱器によって予
   熱された燃料と前記一酸化炭素変成器からのリサイクル
   ガスとを合流させる第２のリサイクルラインを具備する
   ことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】 前記第２のリサイクルラインには、前記
   リサイクルガスの流量を調整する流量調整弁が設けられ
   たことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】 各部の制御を行う制御装置を具備し、 前記第２のリサイクルラインには、前記リサイクルガス
   の流量を調整する電磁弁が設けられ、該電磁弁は、前記
   制御装置の制御により開閉することを特徴とする請求項
   ２記載の燃料電池発電装置。
4. 【請求項４】 前記制御装置は、当該燃料電池発電装置
   の運転負荷が高い場合に前記電磁弁が開となるよう制御
   することを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電装
   置。
5. 【請求項５】 前記脱硫器は、該脱硫器の温度を検出す
   る脱硫器温度計を有し、 前記制御装置は、前記脱硫器温度計によって検出される
   前記脱硫器の温度に基づいて、前記電磁弁の開閉制御を
   行うことを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電装
   置。
6. 【請求項６】 前記脱硫器は、該脱硫器の温度を検出す
   る脱硫器温度計を有し、 前記制御装置は、当該燃料電池発電装置の運転負荷が高
   く、かつ、前記脱硫器温度計によって検出される前記脱
   硫器の温度が高い場合に、前記電磁弁が開となるよう制
   御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電装
   置。
7. 【請求項７】 水素と空気中の酸素から電気を発生させ
   る燃料電池本体を有し、燃料を予熱する燃料予熱器と、
   前記予熱された燃料中に含まれる硫黄分を除去する脱硫
   器と、前記硫黄分を除去された燃料を水素リッチガスに
   改質する改質器と、前記水素リッチガスに改質され前記
   燃料電池本体に供給される燃料ガス中の一酸化炭素を低
   減する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器の出
   口から前記燃料予熱器の入口に接続され、前記燃料予熱
   器の上流で前記燃料と前記一酸化炭素変成器からのリサ
   イクルガスとを合流させる第１のリサイクルラインとを
   備えた燃料電池発電装置において、 前記燃料予熱器の上流で前記燃料と前記一酸化炭素変成
   器からのリサイクルガスとを合流させ、該リサイクルガ
   スの流量を調整する流量調整弁が設けられた第２のリサ
   イクルラインを具備することを特徴とする燃料電池発電
   装置。