JP2009230909A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 空気フィルタのメンテナンスに要する手間、時間、コストを削減する。
【解決手段】 燃料電池のカソード３へ空気１３を供給するカソード空気ブロワ１５と、改質器のバーナ６ｂへ燃焼用の空気１３を供給する燃焼空気ブロワ１２と、ＣＯ選択酸化反応器８へＣＯ選択酸化用の空気１３を供給するＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４のうち、容量が大きいカソード空気ブロワ１５に空気吸込管２１を介して空気フィルタ２０を接続する。燃焼空気ブロワ１２には、空気吸込管２１より分岐する分岐空気吸込管２２を接続する。ＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４には、燃焼空気ブロワ１２の吐出側に改質器のバーナ６ｂを接続する空気供給管２３より分岐する分岐空気供給管２４を接続する。燃料電池発電装置の運転時に各空気ブロワ１５，１２，１４には、共通の１つの空気フィルタ２０を経た空気１３を吸入させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するエネルギー部門で用いる燃料電池を用いた燃料電池発電装置に関するものである。

燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、１００℃以下という低温で発電が行われ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、電池構成材料の劣化が少ないこと、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。

図２は従来提案されている上記固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池発電装置（ＰＥＦＣ発電装置）の一例の該略を示すもので、アノード（燃料極）２とカソード（空気極）３との間に固体高分子電解質層４を挟持した構成の電池セルを集合して固体高分子型燃料電池（電池スタック）１が形成してある。

上記固体高分子型燃料電池１のアノード２の上流側には、脱硫器５、改質器６、低温シフトコンバータ（変成器）７、ＣＯ選択酸化反応器（ＣＯ除去器）８を上流側より順に設けて、メタン等の炭化水素からなる原燃料９は、上記脱硫器５にて脱硫処理した後、上記改質器６へ送るようにしてある。

上記改質器６では、燃焼室６ａのバーナ６ｂにて固体高分子型燃料電池１のアノードオフガス１１を燃焼空気ブロワ１２より送られる空気１３により燃焼させて発生させる燃焼熱を用いて、改質室６ｃに導入した上記脱硫処理後の原燃料９を、図示しない水を用いて水蒸気改質して水素リッチな改質ガス（燃料ガス）１０を生成させるようにしてある。

上記水蒸気改質の際、通常は、二酸化炭素（ＣＯ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）も発生するため、上記低温シフトコンバータ７にて、上記改質器６通過後の改質ガス１０に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換し、更に、上記ＣＯ選択酸化反応器８にて、上記低温シフトコンバータ７通過後の改質ガス１０中に残る一酸化炭素を、ＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４から送られる空気１３を用いて二酸化炭素に酸化することで除去するようにしてある。

以上により水素及び二酸化炭素を主成分とする改質ガス１０が上記固体高分子型燃料電池１のアノード２に供給されるようにしてあり、一方、カソード３には、カソード空気ブロワ（反応空気ブロワ）１５より酸化ガスとしての空気１３が供給されるようにすることで、該固体高分子型燃料電池１にて、アノード２側に供給される改質ガス１０中の水素と、カソード３側に供給される空気１３中の酸素とを電気化学反応（燃料電池反応）させて、発生する起電力を取り出すようにしてある。１６は燃料電池発電装置の筐体（パッケージ）である（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、従来の燃料電池発電装置では、通常、上記燃焼空気ブロワ１２、ＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４、カソード空気ブロワ１５という３基の空気ブロワについて、図３に示すように、上記各空気ブロワ１２，１４，１５の一次側に、燃焼空気フィルタ１７、ＣＯ選択酸化用空気フィルタ１８、カソード空気フィルタ１９をそれぞれ個別に設けるようにしてある。

特開２００６−１２５１６号公報

ところが、上記燃料電池発電装置における各空気フィルタ１７，１８，１９は、１年程度で交換寿命を迎えるものであるため、１年に１度程度、上記各空気フィルタ１７，１８，１９の交換作業が必要になるが、図３に示したように、燃焼空気フィルタ１７、ＣＯ選択酸化用空気フィルタ１８、カソード空気フィルタ１９は、燃料電池発電装置の筐体１６内にて、それぞれ対応する燃焼空気ブロワ１２、ＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４、カソード空気ブロワ１５の近傍位置にそれぞれ配設されているため、上記各空気フィルタ１７，１８，１９の交換作業を実施する場合に、交換作業の対象個所が３個所に分かれてしまい、そのため交換作業に手間及び時間を要しているというのが実状である。

しかも、上記燃料電池発電装置における各空気フィルタ１７，１８，１９は、それぞれ対応する空気ブロワ１２，１４，１５の容量が異なることに応じて異なるサイズのものを用いるようにしてあるため、３種類の空気フィルタが必要とされるため、メンテナンスに要するコストが嵩むというのが実状である。

そこで、本発明は、燃焼空気ブロワとＣＯ選択酸化用空気ブロワとカソード空気ブロワの一次側に設ける空気フィルタのメンテナンスに要する手間、時間、コストの削減化を図ることができる燃料電池発電装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、燃料電池のアノード側に原燃料を改質した水素リッチな改質ガスを供給すると共に、該燃料電池のカソード側に酸化ガスとしての空気を供給して、燃料電池にて発電を行わせるようにしてある燃料電池発電装置において、上記燃料電池のカソードへ酸化ガスとしての空気を供給するためのカソード空気ブロワと、原燃料を水蒸気改質するための改質器のバーナへ燃焼用の空気を供給する燃焼空気ブロワと、上記改質器で水蒸気改質された改質ガス中の一酸化炭素を除去するためのＣＯ選択酸化反応器へＣＯ選択酸化用の空気を供給するＣＯ選択酸化用空気ブロワに、１つの空気フィルタを通した空気を供給できるようにした構成とする。

又、上記構成において、空気フィルタにカソード空気ブロワの吸込側を空気吸込管を介して接続し、該空気吸込管より分岐させた分岐空気吸込管の下流側に燃焼空気ブロワの吸込側を接続し、該燃焼空気ブロワの吐出側に改質器のバーナを接続する空気供給管より分岐させた分岐空気供給管の下流側に、ＣＯ選択酸化用空気ブロワの吸込側を接続するようにした構成とする。

本発明の燃料電池発電装置によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）燃料電池のアノード側に原燃料を改質した水素リッチな改質ガスを供給すると共に、該燃料電池のカソード側に酸化ガスとしての空気を供給して、燃料電池にて発電を行わせるようにしてある燃料電池発電装置において、上記燃料電池のカソードへ酸化ガスとしての空気を供給するためのカソード空気ブロワと、原燃料を水蒸気改質するための改質器のバーナへ燃焼用の空気を供給する燃焼空気ブロワと、上記改質器で水蒸気改質された改質ガス中の一酸化炭素を除去するためのＣＯ選択酸化反応器へＣＯ選択酸化用の空気を供給するＣＯ選択酸化用空気ブロワに、１つの空気フィルタを通した空気を供給できるようにした構成としてあるので、上記空気フィルタが交換寿命に達して空気フィルタの交換作業を実施する場合に、筐体内にて上記空気フィルタが配設してある１個所を対象として交換作業を実施すればよいため、従来の複数の空気フィルタが分散して設置されていた場合に比してメンテナンスに要する手間及び時間を削減することができる。しかも、容量がそれぞれ異なる上記各空気ブロワに対して、複数のサイズの空気フィルタを用意する必要がなくなるため、空気フィルタのメンテナンスに要するコストの削減化を図ることができる。
（２）空気フィルタにカソード空気ブロワの吸込側を空気吸込管を介して接続し、該空気吸込管より分岐させた分岐空気吸込管の下流側に燃焼空気ブロワの吸込側を接続し、該燃焼空気ブロワの吐出側に改質器のバーナを接続する空気供給管より分岐させた分岐空気供給管の下流側に、ＣＯ選択酸化用空気ブロワの吸込側を接続するようにした構成とすることにより、容量がそれぞれ異なるカソード空気ブロワと燃焼空気ブロワとＣＯ選択酸化用空気ブロワに対して効率よく空気を分配して吸入させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１（イ）（ロ）は本発明の燃料電池発電装置の実施の一形態を示すもので、以下のようにしてある。

すなわち、図２に示したと同様に、筐体１６内に、アノード２とカソード３と固体高分子電解質層４を具備した固体高分子型燃料電池１と、上記アノード２の上流側に接続した脱硫器５、改質器６、低温シフトコンバータ７、ＣＯ選択酸化反応器８と、上記改質器６の燃焼室６ａのバーナ６ｂへ燃焼用の空気１３を供給する燃焼空気ブロワ１２と、上記ＣＯ選択酸化反応器８にＣＯ選択酸化用の空気１３を供給するＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４と、上記固体高分子型燃料電池１のカソード３に酸化ガスとしての空気１３を供給するカソード空気ブロワ１５とを備えてなる構成の燃料電池発電装置（図２参照）において、上記燃焼空気ブロワ１２と、ＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４と、カソード空気ブロワ１５の一次側を、上記筐体１６の内部所要個所に設けた１つの共通の空気フィルタ２０に接続してなる構成とする。

具体的には、上記各空気ブロワ１２，１４，１５のうち、最も容量が大きいカソード空気ブロワ１５の吸込側に、上記空気フィルタ２０を空気吸込管２１を介して接続する。上記空気吸込管２１には、途中位置より分岐させた分岐空気吸込管２２を設け、該分岐管２２の下流側に、各空気ブロワ１２，１４，１５のうち２番目に容量が大きい燃焼空気ブロワ１２の吸込側を接続する。

更に、上記燃焼空気ブロワ１２より改質器６のバーナ６ｂへ空気１３を供給するための空気供給管２３の途中位置より分岐させた分岐空気供給管２４の下流側に、上記ＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４の吸込側を接続した構成とする。

以上の構成としてある燃料電池発電装置を運転すると、上記空気フィルタ１７を通過する空気１３が、上記カソード空気ブロワ１５へは空気吸込管２１を経て、又、上記燃焼空気ブロワ１２へは上記空気吸込管２１とその分岐空気吸込管２２を経て、更に、上記ＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４へは、上記上記空気吸込管２１と分岐空気吸込管２２と燃焼空気ブロワ１２と空気供給管２３と分岐空気供給管２４を経て、それぞれの空気ブロワ１５，１２，１４の運転状況に応じた空気吸込量で吸入された後、該各空気ブロワ１５，１２，１４よりそれぞれ対応する下流側の機器へ空気１３の供給が行われるようになる。

このように本発明の燃料電池発電装置によれば、燃焼空気ブロワ１２とＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４とカソード空気ブロワ１５の一次側に、共通の１つの空気フィルタ２０を設けるようにしてあるため、該空気フィルタ２０が交換寿命に達して交換作業を実施する場合は、燃料電池発電装置の筐体１６内にて上記空気フィルタ２０が設置してある１個所に対してのみ交換作業を実施すればよいため、空気フィルタ２０のメンテナンスに要する手間及び時間を削減することができる。

しかも、空気フィルタ２０として複数のサイズを用意する必要がなくなることによっても、メンテナンスに要するコストの削減化を図ることができる。

更に、上記空気フィルタ２０より最も容量が大きいカソード空気ブロワ１５へ空気１３を導くようにしてある空気吸込管２１より分岐させた分岐空気吸込管２２を通して、より容量が小さい燃焼空気ブロワ１２へ空気１３を導くようにしてあると共に、最も容量が小さいＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４に対しては、上記燃焼空気ブロワ１２より吐出される空気１３が流通するようにしてある空気供給管２３より分岐させた分岐空気供給管２４を通して空気１３を供給するようにしてあるので、上記各空気ブロワ１５，１２，１４に効率よく空気１３を供給することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、燃料電池発電装置の筐体１６内における空気フィルタ２０の配置は、上記各空気ブロワ１５，１２，１４の配置や、該筐体１６内における空気の流れや温度分布等を考慮して適宜変更してもよい。

各空気ブロワ１５，１２，１４への空気の流れをスムーズなものとして該各空気ブロワ１５，１２，１４の空気吸込効率を良好なものとするという観点からすると、最も容量が大きいカソード空気ブロワ１５の吸込側に、空気フィルタ２０を空気吸込管２１を介して接続し、この空気吸込管２１より分岐させた分岐空気吸込管２２を２番目に容量が大きい燃焼空気ブロワ１２に接続し、更に、最も容量が小さいＣＯ選択酸化用空気ブロワ１４は、上記燃焼空気ブロワ１２の吐出側に改質器６のバーナ６ｂを接続する空気供給管２３の途中位置より分岐させた分岐空気供給管２４の下流側に設ける構成とすることが望ましいが、上記各空気ブロワ１５，１２，１４の運転状況に応じた空気吸込量に対応してそれぞれ空気１３を供給できるようにしてあれば、上記空気フィルタ２０と上記各空気ブロワ１５，１２，１４を、三又に分岐した空気配管を介して接続する等、空気配管の経路は適宜変更してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の燃料電池発電装置の実施の一形態を示すもので、（イ）は筐体内における空気フィルタと各空気ブロワとの接続状態を示す概略平面図、（ロ）は空気フィルタと各空気ブロワとの接続状態を示すフロー図である。 従来提案されている燃料電池発電装置の一例を示す概要図である。 従来の燃料電池発電装置における各空気ブロワと空気フィルタとの接続状態を示す概略平面図である。

符号の説明

１ 燃料電池（固体高分子型燃料電池）
３ カソード
６ 改質器
６ｂ バーナ
８ ＣＯ選択酸化反応器
９ 原燃料
１０ 改質ガス
１２ 燃焼空気ブロワ
１３ 空気
１４ ＣＯ選択酸化用空気ブロワ
１５ カソード空気ブロワ
２０ 空気フィルタ
２１ 空気吸込管
２２ 分岐空気吸込管
２３ 空気供給管
２４ 分岐空気供給管

Claims (2)

1. 燃料電池のアノード側に原燃料を改質した水素リッチな改質ガスを供給すると共に、該燃料電池のカソード側に酸化ガスとしての空気を供給して、燃料電池にて発電を行わせるようにしてある燃料電池発電装置において、上記燃料電池のカソードへ酸化ガスとしての空気を供給するためのカソード空気ブロワと、原燃料を水蒸気改質するための改質器のバーナへ燃焼用の空気を供給する燃焼空気ブロワと、上記改質器で水蒸気改質された改質ガス中の一酸化炭素を除去するためのＣＯ選択酸化反応器へＣＯ選択酸化用の空気を供給するＣＯ選択酸化用空気ブロワに、１つの空気フィルタを通した空気を供給できるようにした構成を有することを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 空気フィルタにカソード空気ブロワの吸込側を空気吸込管を介して接続し、該空気吸込管より分岐させた分岐空気吸込管の下流側に燃焼空気ブロワの吸込側を接続し、該燃焼空気ブロワの吐出側に改質器のバーナを接続する空気供給管より分岐させた分岐空気供給管の下流側に、ＣＯ選択酸化用空気ブロワの吸込側を接続するようにした請求項１記載の燃料電池発電装置。

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