JP2002042851A

JP2002042851A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002042851A
Application number: JP2000221286A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yoshida; 豊吉田; Takeshi Tomizawa; 猛富澤; Toshiyuki Shono; 敏之庄野; Tomomichi Asou; 智倫麻生; Kunihiro Ukai; 邦弘鵜飼; Kiyoshi Taguchi; 清田口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2002-02-08

Abstract

(57)【要約】【課題】水素を含むオフガスが外部に排出されてしま
うため、燃料電池システムの運転効率が低いという問題
がある。また、オフガスが外部に排出されると、オフガ
ス中の水素が周囲の空気と混合して可燃性のガスとなる
危険性がある。【解決手段】オフガス中の水素を燃焼させるバーナを
備え、バーナでオフガスを燃焼させる。バーナを触媒燃
焼方式にすることにより、より広範な空燃比に対しても
燃焼が可能となりオフガス中の水素をより確実に燃焼さ
せることができる。オフガスを燃焼させたときの燃焼熱
をさらに、水の水蒸気への変換、水蒸気の加熱、燃料の
加熱、空気の加熱に利用し、燃料電池システムとしての
効率をあげる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガス、ＬＰ
Ｇ、ガソリン、ナフサおよび灯油などの炭化水素系物質
ならびにメタノールなどの化合物、水ならびに空気を原
料として水素を供給する水素発生装置、ならびに燃料電
池からなる燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】化石燃料に替わるエネルギー源の有力候
補の一つとして水素が注目されているが、その有効利用
のためには水素パイプラインなどの社会インフラの整備
が必要とされている。水素を利用するための方法の一つ
として、天然ガス、その他の化石燃料およびアルコール
などのために既に構築されている運送および搬送などの
インフラを利用し、水素を必要とする場所でそれら燃料
を改質して水素を発生させる方法が検討されている。例
えば、中小規模でのオンサイト発電装置としての燃料電
池のための天然ガス（都市ガス）改質技術、および自動
車の動力源用の燃料電池のためのメタノール改質技術な
どが様々な形で提案されている。

【０００３】前記原料を改質して水素を発生させるため
には、高温での触媒反応が用いられ、代表的な方法とし
て部分酸化法、水蒸気改質法および両者を併用したオー
トサーマル法と呼ばれる方法がある。改質反応は高温で
進行するため、生成物としての水素とともにその反応平
衡から副生成物として一酸化炭素（以下、「ＣＯ」と記
載する。）、二酸化炭素（以下、「ＣＯ₂」と記載す
る。）が生成する。生成した水素を燃料電池で利用する
とき、特に高分子電解質型燃料電池においては、副生成
物であるＣＯが燃料電池の電極を被毒してその性能を著
しく劣化させるため、その濃度を極力低濃度にしておく
必要がある。

【０００４】そのため、改質反応部の下流側に、変成反
応部およびＣＯ除去部を付加して、ＣＯ濃度を数十ｐｐ
ｍにまで低下させる方法を採用するのが一般的である。
このとき、反応活性が優れているという理由から変成部
には銅系の金属触媒が採用され、ＣＯ除去部には貴金属
系触媒が採用されていた。これにより、改質部で生成さ
れる１０％程度の濃度のＣＯは、変成部で１％前後まで
低減され、さらにＣＯ除去部で数十ｐｐｍまで低減さ
れ、燃料電池に供給されることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、燃料電池に供
給された水素生成ガスは、水素が必要量だけ消費され、
残りが水素を含むオフガスとして外部に排出されてしま
うため、燃料電池システムの運転効率が低いという問題
がある。また、オフガスが外部に排出されると、オフガ
ス中の水素が周囲の空気と混合して可燃性のガスとなる
危険性がある。したがって、本発明は、水素が外部へ流
出することのない高効率で安全性の高い燃料電池システ
ムを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、改質触媒を有
する改質部、前記改質部の下流側に配置した変成触媒を
有する変成部、前記変成部の下流側に配置したＣＯ除去
触媒を有するＣＯ除去部、前記改質部に水蒸気を供給す
る水蒸気供給部、前記改質触媒の上流側に近接してまた
は一体にして設けた燃焼触媒を有する触媒燃焼部、前記
触媒燃焼部に燃料を供給する燃料供給部、および前記触
媒燃焼部の上流側に設けた空気供給部を備えた水素発生
装置、ならびに前記水素発生装置からの生成水素ガスが
供給される燃料電池を具備する燃料電池システムであっ
て、さらに前記燃料電池からのオフガス中の水素を燃焼
させるバーナを具備することを特徴とする燃料電池シス
テムに関する。

【０００７】前記燃料電池システムにおいては、前記バ
ーナが触媒燃焼方式であるのが有効である。また、前記
バーナが、前記バーナで発生する燃焼熱により、前記燃
料供給部からの燃料、前記空気供給部からの空気および
前記水供給部からの水の少なくとも１種を加熱するよう
に配置されているのが有効である。この場合、前記バー
ナで発生する燃焼熱により、前記水供給部からの水を水
蒸気に変換することも可能である。また、前記触媒燃焼
部、前記改質部、前記変成部および前記ＣＯ除去部を、
貴金属を主体とする触媒で構成するのが有効である。す
なわち、前記燃焼触媒、触媒前記改質触媒、前記変成触
媒および前記ＣＯ除去触媒が、貴金属を主体とする触媒
であるのが有効である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明に係る燃料電池システムに
ついて図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る燃
料電池システムの構成を示す模式図である。本発明に係
る燃料電池システムは、改質触媒を有する改質部１、改
質部１の下流側に配置した変成触媒を有する変成部２、
変成部２の下流側に配置したＣＯ除去触媒を有するＣＯ
除去部３、改質部１に水蒸気を供給する水供給部７、改
質触媒の上流側に近接してまたは一体にして設けた燃焼
触媒を有する触媒燃焼部４、触媒燃焼部４に炭化水素系
燃料を供給する燃料供給部５、および触媒燃焼部４の上
流側に設けた空気供給部６を備える水素発生装置２１、
ならびに水素発生装置２１からの生成水素ガスが供給さ
れる燃料電池８を具備する燃料電池システムである。

【０００９】燃料供給部５からは、天然ガス（都市ガ
ス）もしくはＬＰＧなどの気体状炭化水素燃料またはガ
ソリン、灯油もしくはメタノールなどの液体状炭化水素
系燃料を水素発生装置２１に供給する。水素発生装置２
１に供給された燃料は、改質部１において改質され、変
成部２およびＣＯ除去部を経てＣＯ濃度の低減された生
成水素ガスとして燃料電池８に供給される。そして、水
供給部７は、原料の水を気化させて水蒸気を水素発生装
置２１に供給し、空気供給部６は空気を水素発生装置２
１に供給する。ここで、本発明において用いる水素の発
生方法は、部分酸化方式と水蒸気改質方式とを併用した
オートサーマル方式と呼ばれる方法である。部分酸化反
応は発熱反応であり、水蒸気改質反応は吸熱反応である
ことから、水蒸気改質で必要な吸熱反応分を部分酸化の
発熱で補って水素生成反応を進行させるものである。

【００１０】したがって、改質部１、変成部２、ＣＯ除
去部３および触媒燃焼部４にはそれぞれ触媒が設置され
ている。これらの部分において用いられる触媒、および
触媒を担持する担体としては、以下に示すものを用い
る。触媒としては、反応性または材料としての安定性と
いう点から、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム
またはイリジウムなどの貴金属触媒を用いるのが好まし
い。さらに、反応中のカーボンの析出を少なくできる点
および酸素に対する安定性という点から、改質部１には
白金および／またはロジウムを、ＣＯ除去部には白金お
よびルテニウムを用いるのが好ましい。また、変成部２
には白金触媒とともに、担体としてセリウムまたはジル
コニウムの酸化物を用いるのが有効である。さらに、ア
ルミナなどをバインダーとして添加することも、機械的
強度を高めるために有効である。

【００１１】また、触媒燃焼部４は、オートサーマル方
式に対応すべく、白金、ロジウムなどの触媒を用いる。
触媒を担持する基体としては、例えば、セラミックまた
は耐熱性金属などからなり、粒状、ペレット状またはハ
ニカム状など形状を有するものがあげられる。また、基
体を用いる場合は、その表面の比表面積を増大させて触
媒活性を高めるという理由から、アルミナまたはジルコ
ニアなどからなる粉末状ウォッシュコート層（担体の役
割を担う。）を形成し、粉末状ウォッシュコート層の上
に貴金属を担持するのが好ましい。

【００１２】ここで、燃料供給部５、空気供給部６およ
び水供給部７からそれぞれの原料を供給するときの流量
の調整は、ポンプもしくはファンなどを用いる方法、ま
たはさらにその下流側に設けたバルブなどの流量調整器
を用いる方法などにより行なうことができる。図１にお
いては特に図示していないが、ポンプもしくはファンな
どを用いているものとしてそれぞれの供給部を構成して
いる。また、図１における矢印は、原料、反応物および
生成物などの流れの方向を示している。

【００１３】そして、燃料電池８は、ＣＯ除去部３でＣ
Ｏを除去された生成水素ガスのうちの水素のみを必要量
だけ消費し、未反応の水素を含む生成水素ガスはオフガ
スとして排出される。このオフガスに含まれる水素をそ
のまま排出すると、水素発生装置２１において生成した
水素の利用率が下がることになり、結果として燃料電池
システムの効率を下げてしまうことになる。そこで、本
発明者らは、かかるオフガスを有効に利用すべく、バー
ナ９においてオフガスを燃焼させることとした。バーナ
９にはバーナ用空気供給部１０が設けられており、オフ
ガスを燃焼させるためにバーナ９に空気を供給する。

【００１４】ここで用いるバーナ９としては、還流して
くるオフガスの量が不確定である場合も多いので、広い
空燃比に対して安定燃焼が可能であるという理由から、
触媒燃焼方式による触媒バーナを用いるのが好ましい。
触媒バーナとは触媒燃焼を行うバーナであり、触媒燃焼
は火炎を伴なわない無炎反応であり、広範な空燃比に対
しても燃焼を可能とする。例えば、オフガス中の水素濃
度が変動し、バーナ用空気供給部１０から供給される空
気量との関係にアンバランスが生じても、より確実に燃
焼させることができる。また、触媒燃焼はＮＯ_xおよび
ＣＯなどをほとんど排出せず、クリーンな燃焼を実現す
るという長所もある。

【００１５】つぎに、バーナ９の配置を考慮することに
より、さらに燃料電池システムの効率を向上させること
ができる。すなわち、バーナ９で発生する燃焼熱によ
り、前記燃料供給部からの燃料、前記空気供給部からの
空気および前記水供給部からの水の少なくとも１種を加
熱するように、バーナ９を配置するのが有効である。例
えば、図２に示すように、バーナ９を水供給部７に隣接
して配置すれば、オフガスをバーナ９で燃焼させ、発生
する燃焼熱を水供給部７に与え、水の水蒸気への変換お
よび水蒸気の加熱の少なくとも一方を行なうことができ
る。したがって、オフガスの保有エネルギーを有効に利
用することにより燃料電池システムとしての効率を上げ
ることができる。図２は、本発明に係る別の燃料電池シ
ステムの構成を示す模式図である。

【００１６】また、図３に示すように、バーナ９を燃料
供給部５および／または空気供給部６に隣接して配置す
れば、オフガスをバーナ９で燃焼させ、発生する燃焼熱
を燃料供給部５および空気供給部６の少なくとも一方に
与え、燃料の加熱および空気の加熱の少なくとも一方を
行なうことができる。これによっても、オフガスの保有
エネルギーを有効に利用することにより燃料電池システ
ムとしての効率を上げることができる。図３は、本発明
に係るさらに別の燃料電池システムの構成を示す模式図
である。以上、燃料として天然ガス、ＬＰＧおよびガソ
リンなどの炭化水素系の燃料を用いる場合について説明
したが、これらの操作においては、改質部１および触媒
燃焼部４は、おおよそ６５０〜８００℃の温度に制御す
るのが好ましい。しかし、燃料としてアルコール（特に
メタノール）を用いた場合には、２５０〜４００℃で充
分である。

【００１７】メタノールなどのアルコールを用いる場
合、本発明においては、図１〜３における改質部１を省
略することができる。つまり、触媒燃焼部４と変成部２
を一体に構成して、アルコール燃焼用改質部として用い
ることができる。このときに用いる触媒としては、前述
した白金系触媒とセリウムまたはジルコニアの酸化物で
構成した担体との組合せが有効である。このとき、セリ
ウムの酸化物とジルコニアの酸化物は、混合して用いる
ことは当然に可能であり、例えばセリウム２０％および
ジルコニア８０％といった適量の混合比で固溶体を形成
して用いると、担体としての安定性をさらに向上させる
ことが可能となる。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、水素を含むオフガスを
装置外に流出させることなく、安全性の高い燃料電池シ
ステムを実現できる。特に、バーナを触媒燃焼方式のバ
ーナを用いることにより、広範な空燃比で燃焼が可能と
なり、オフガスの流出をより確実に防止することができ
るとともに、ＮＯ_xおよびＣＯなどの排出がほとんどな
く、クリーンな燃料電池システムを実現できる。さら
に、オフガスの燃焼熱を水の水蒸気への変換、水蒸気の
加熱に利用することにより、燃料電池システムとしての
効率を上げることができ、省エネルギー化が実現でき
る。また、オフガスの燃焼熱を燃料の加熱、空気の加熱
に利用することにより、燃料電池システムとしての効率
を上げることができ、省エネが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成を示す模
式図

【図２】本発明に係る別の燃料電池システムの構成を示
す模式図

【図３】本発明に係るさらに別の燃料電池システムの構
成を示す模式図

【符号の説明】

１改質部２変成部３ＣＯ除去部４触媒燃焼部５燃料供給部６空気供給部７水供給部８燃料電池９バーナ１０バーナ用空気供給部２１水素発生装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者庄野敏之大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者麻生智倫大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者鵜飼邦弘大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者田口清大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EA07 EB12 EB42 EB44 EC03 5H026 AA06 5H027 AA02 BA01 BA08 BA17 KK22 KK25 MM04 MM09 MM13 MM14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】改質触媒を有する改質部、前記改質部の
下流側に配置した変成触媒を有する変成部、前記変成部
の下流側に配置したＣＯ除去触媒を有するＣＯ除去部、
前記改質部に水蒸気を供給する水蒸気供給部、前記改質
触媒の上流側に近接してまたは一体にして設けた燃焼触
媒を有する触媒燃焼部、前記触媒燃焼部に燃料を供給す
る燃料供給部、および前記触媒燃焼部の上流側に設けた
空気供給部を備えた水素発生装置、ならびに前記水素発
生装置からの生成水素ガスが供給される燃料電池を具備
する燃料電池システムであって、さらに前記燃料電池からのオフガス中の水素を燃焼させ
るバーナを具備することを特徴とする燃料電池システ
ム。
【請求項２】前記バーナが触媒燃焼方式であることを
特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】前記バーナが、前記バーナで発生する燃
焼熱により、前記燃料供給部からの燃料、前記空気供給
部からの空気および前記水供給部からの水の少なくとも
１種を加熱するように配置されていることを特徴とする
請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】前記触媒燃焼部、前記改質部、前記変成
部および前記ＣＯ除去部が、貴金属を主体とする触媒で
構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
かに記載の燃料電池システム。