JP2014165129A

JP2014165129A - 燃料電池装置

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Publication number: JP2014165129A
Application number: JP2013037405A
Authority: JP
Inventors: Masanori Suehiro; 真紀末廣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-09-08
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: JP6114061B2

Abstract

【課題】小型化が可能で、かつ運転効率の高い燃料電池装置を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池装置は、原燃料供給手段２より供給された硫黄を含む原燃料を脱硫するための脱硫装置を備えてなり、該脱硫装置は、原燃料供給手段２側に配置された高温脱硫装置１８と、該高温脱硫装置１８の下流側に配置された常温脱硫装置１９とを備えることから、運転効率を向上させることができるとともに、常温脱硫装置１９が大型化することを抑制でき、ひいては、小型化が可能な燃料電池装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

このような燃料電池セルの発電に使用される燃料ガスとして、一般的に都市ガスやプロパンガスなどが利用されるが、これらのガスには不純物としての硫黄が含まれていることから、燃料電池セルに供給する前にこの硫黄を除去する必要がある。

硫黄を除去するための手段として、定格運転温度が常温の常温吸着脱硫剤と、定格運転温度が高温の加温吸着脱硫剤とが知られており、特許文献１および特許文献２においては、これらをこの順に設けてなる脱硫装置やその運転方法が提案されている。

特開２００６−１１１７６６号公報特開２００３−２０４８９号公報

上述のように、定格運転温度が常温の常温吸着脱硫剤と、定格運転温度が高温の加温吸着脱硫剤とを組み合わせて用いることで、効率のよい運転を行なうことができるものの、常温吸着脱硫剤と加温吸着脱硫剤とをこの順で配置した場合には、常温吸着脱硫剤は、単位体積当たりの脱硫容量が小さいため、特に燃料電池装置で用いる場合において、常温吸着脱硫剤の容量が大きくなり、ひいては燃料電池装置が大型化するという問題があった。

それゆえ、本発明は、小型化が可能で、かつ運転効率の高い燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置は、原燃料供給手段より供給された硫黄を含む原燃料を脱硫するための脱硫装置を備えてなり、該脱硫装置は、前記原燃料供給手段側に配置された高温脱硫装置と、該高温脱硫装置の下流側に配置された常温脱硫装置とを備えることを特徴とする。

本発明の燃料電池装置は、硫黄を含む原燃料を脱硫するための脱硫装置として、原燃料供給手段側に高温脱硫装置を、その下流側に常温脱硫装置を配置することで、運転効率を向上することができるとともに、常温脱硫装置の容量を小さくすることができ、ひいては燃料電池装置を小型化することができる。

本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の他の一例を示す構成図である。本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。

図１は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの一例を示した構成図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

図１に示す燃料電池システムは、発電を行なう発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間に水を循環させるための循環配管とから構成されており、発電ユニットが本発明の燃料電池装置に相当する。

図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）は、複数個の燃料電池セルを組み合わせてなる燃料電池セルスタック１（以下、セルスタックと略す場合がある。）、天然ガスや灯油等の原燃料を供給する原燃料供給手段２、原燃料供給手段２より供給される原燃料に含まれる硫黄成分を除去する高温脱硫装置１８および常温脱硫装置１９、セルスタック１を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段３、各脱硫装置にて硫黄成分が除去された原燃料と水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。高温脱硫装置１８および常温脱硫装置１９については後に詳述するものとし、以下の説明において２つをあわせて脱硫装置という場合がある。なお、改質器４は、後述する水ポンプ５により供給される水（純水、以下適宜水と略す場合がある。）を気化し、原燃料供給手段２から供給され、硫黄成分が除去された原燃料と水蒸気とを混合するための気化部と、内部に改質触媒を備え、混合された原燃料と水蒸気とを反応させて燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質部とを備えている。

なお、図１において、セルスタック１や改質器４を収納容器内に収納することで、本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュール（以下、モジュールという場合がある。）が構成される。なお図１においては、燃料電池モジュールを構成する各装置類を二点鎖線により囲って示している（図１においてＭで示している）。

なお、以降の説明において、燃料電池セルとして固体酸化物形の燃料電池を備える燃料電池装置を例にして説明するが、固体酸化物形に限られるものではなく、固体高分子形等、各種タイプの燃料電池装置とすることができる。

また、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、セルスタック１を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と循環配管１２を流れる水とで熱交換を行なう熱交換器６、熱交換器６で生成された凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置１５、凝縮水処理装置１５にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク７が設けられており、水タンク７と熱交換器６とが凝縮水供給管１４により接続されている。なお、熱交換器６での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置１５を設けない構成とすることもできる。また、凝縮水処理装置１５が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク７を設けない構成とすることもできる。

水タンク７に貯水された水は、水タンク７と改質器４とを接続する水供給管１６に備えられた水ポンプ５により改質器４（気化部、図示せず。）に供給される。

さらに図１に示す燃料電池装置は、燃料電池セルにて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電流の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）８、熱交換器６の出口に設けられ熱交換器６の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１０のほか、制御装置９が設けられており、循環配管１２内で水を循環させる循環ポンプ１１とあわせて発電ユニット（燃料電池装置）が構成されている。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な発電ユニットとすることができる（図示せず）。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１３を具備して構成されている。

また、モジュールＭからの排ガス排気ラインには、燃料電池セル（セルスタック１）の運転に伴い生じる排ガスを処理するための排ガス処理装置１７が設けられている。なお、排ガス処理装置は、収納容器内に収納することができ、排ガス処理装置としては、一般的に公知の燃焼触媒を収納して構成することができる。

ここで、図１に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。まず、原燃料供給手段２より高温脱硫装置１８に原燃料が供給される。高温脱硫装置１８にて脱硫された後の原燃料は、引き続き常温脱硫装置１９に供給されて再度脱硫される。常温脱硫装置１９にて脱硫されたのちの原燃料（ガス）は、原燃料供給ポンプ２０を介して改質器４に供給される。

改質器４には、後述する熱交換器６において燃料電池セル（セルスタック１）の運転に伴って生じた排ガスと循環配管１２を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が供給される。熱交換器６にて生成された凝縮水は、凝縮水処理装置１５により処理されて（純水とされて）水タンク７に供給される。水タンク７に貯水された水は、水ポンプ５により改質器４に供給される。

それにより、各脱硫装置より供給された脱硫後の原燃料と、水ポンプ５より供給された水とで、改質器４にて水蒸気改質が行われ、水蒸気改質により生成された燃料ガスが燃料電池セルに供給される。燃料電池セルにおいては、燃料ガスと酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われる。このように凝縮水を有効に利用することにより、水自立運転を行なうことができる。

図２は、図１に示すモジュールＭの一例を示す外観斜視図である。モジュールＭは、収納容器２１内に、燃料電池セル２２の複数個を集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続して構成されるセルスタック１の下端を、燃料電池セル２２に燃料ガスを供給するためのマニホールド２３に固定してなるセルスタック装置２８を収納している。

なお、燃料電池セル２２にて使用する燃料ガスを得るために、脱硫装置により処理された脱硫後の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器４をセルスタック１の上方に配置し、改質器４には脱硫装置より改質器４に供給される脱硫後の原燃料供給管２７が接続されている。また改質器４は、改質器４にて水蒸気改質を行なうために、水ポンプ５より水供給管１６を介して供給された水を気化するための気化部２４と、気化部２４にて気化された水と原燃料とで改質反応を行なうための内部に改質触媒を備える改質部２５とを備えている。そして、改質部２５で生成された燃料ガスは、ガス流通管２６を介してマニホールド２３に供給され、マニホールド２３を介して燃料電池セル２２に供給される。

また、図２においては、収納容器２１の一部（前後壁）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置２８および改質器４を後方に取り出した状態を示している。ここで、図２に示した燃料電池モジュールＭにおいては、セルスタック装置２８を、収納容器２１内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置２８は、改質器４を含むものとしても良い。

なお、特に説明していないが、収納容器２１の底面には、燃料電池セル２２に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給管（図２において左側）と、燃料電池セルの発電等により生じる排ガスを排気するための排気管（図２において右側）とが接続されている。

また収納容器２１の内部には、酸素含有ガス供給管より供給された酸素含有ガスを燃料電池セル２２に供給するための酸素含有ガス導入部材２９が配置されており、図２に示すモジュールＭにおいては、酸素含有ガス導入部材２９は、マニホールド２３に並置されたセルスタック１の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル２２の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル２２の下端部に酸素含有ガスを供給する。

そして、燃料電池セル２２より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル２２の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル２２の温度を上昇させることができ、セルスタック装置２８の起動を早めることができる。また、燃料電池セル２２の上端部側にて、燃料電池セル２２から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル２２（セルスタック１）の上方に配置された改質器４を温めることができる。それにより、改質器４で効率よく改質反応を行うことができるほか、モジュールＭの温度を高温に維持することができる。

ここで、本実施形態の燃料電池装置においては、原燃料供給手段２より供給される原燃料に含有される硫黄成分を除去するための除去装置として、高温脱硫装置１８と常温脱硫装置１９とがこの順序にて配置されている。

すなわち、原燃料供給手段２より供給される原燃料は、まず高温脱硫装置１８にて脱硫処理が行なわれ、高温脱硫装置１８での脱硫が不十分であったとしても、続いて常温脱硫装置１９にて脱硫処理が行なわれる。それゆえ、硫黄成分を含む原燃料の脱硫処理を効率よく行なうことができ、運転効率を向上することができる。

本実施形態においては、この脱硫装置を構成する高温脱硫装置１８と常温脱硫装置１９とをこの順序にて配置していることが重要である。例えば、常温脱硫装置１９を原燃料供給手段２側に配置した場合には、常温脱硫装置に設けられる常温脱硫剤は、単位体積当たりの脱硫容量が小さいため、常温脱硫剤を大量に設けなければならず、コストがかかるほか、脱硫装置が大型化し、ひいては燃料電池装置が大型化するおそれがある。

これに対し、本実施形態の燃料電池装置では、脱硫能の高い高温脱硫装置１８を上流側に配置することで、運転効率を向上できるほか、常温脱硫装置１９を小型化することができ、コストを低減できるほか、燃料電池装置を小型化することができる。

なお、高温脱硫装置１８としては、例えば、容器内に、脱硫触媒を収納したものとすることができる。そのような脱硫触媒の例としては、例えばＮｉ系、Ｃｕ系、Ｚｎ系、Ａｌ系、Ａｇ系、Ｆｅ系、Ｃｏ系等の脱硫触媒を用いることができる。なお、これらの脱硫触媒の活性を高めるにあたり、温度が１００℃以上、より好ましくは１８０℃以上に加熱す
ることが好ましく、上限温度として３５０℃以下、さらには２９０℃以下とすることが好ましい。

なお、これらの脱硫触媒を担持する坦持体としては、例えばゼオライト、シリカ、酸化マンガン、酸化セリウム、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化銅等を用いることができる。

一方、高温脱硫装置の下流側に配置される常温脱硫装置としては、既知のものを用いることができ、例えば、ゼオライト、ゼオライトにＡｇもしくはＣｕを坦持したものや、活性炭等を用いることができる。

また、図１には示していないが、原燃料供給ポンプ２０の上流側に、改質器４に供給される原燃料の量を測定するための流量計を配置することができる。この場合において、ガス流量計は常温脱硫装置１９と原燃料供給ポンプ２０との間に設けた場合には、原燃料の流量制御の応答性を向上することができる。

また、流量計を、高温脱硫装置１８と常温脱硫装置１９との間に配置することもできる。一般的に原燃料供給ポンプ２０の上流側では、原燃料供給ポンプ２０の動作にともなって脈動を生じる。それゆえ、常温脱硫装置１９と原燃料供給ポンプ２０との間に流量計を配置した場合には、流量計にて正確な流量を測定できないおそれがあるが、流量計を高温脱硫装置１８と常温脱硫装置１９との間に配置することで、脈動の影響を受けにくくすることができ、原燃料の流量制御を安定して行なうことができる。

また、常温脱硫装置１９の下流側における、常温脱硫装置１９と改質器４とを接続する管に、常温脱硫装置１９と改質器４との原燃料や空気等が逆流することを抑制する目的で閉止弁を設けることもできるほか、高温脱硫装置１８の上流側に、高温脱硫装置１８と改質器４とをつなぐ管が負圧になることを抑制するための減圧弁を設けることもできる。

図３は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの他の一例を示したものであり、図１に示す燃料電池システムと比較して、高温脱硫装置がモジュールの外面に配置されている例を示している。

上述したように、高温脱硫装置１８の活性を高めるにあたり、高温脱硫装置１８を１００〜３００℃程度の温度とする必要がある。それゆえ、高温脱硫装置１８にヒーター等の熱源を配置して、脱硫触媒に合わせて加熱することができるが、この場合に、燃料電池で発電した電力を消費することとなるため、運転効率（発電効率）が低下するおそれがある。

これに対し、燃料電池セル２２が固体酸化物形燃料電池の場合には、発電温度が６００〜１０００℃程度と非常に高温となることから、燃料電池セル２２を収納してなるモジュールＭ（収納容器２１）の外面の温度も高温となる。

それゆえ、高温脱硫装置１８をモジュールＭ（収納容器２１）の外面に配置することで、モジュールＭの熱によって効率よく高温脱硫装置１８を加熱することができ、発電効率が低下することを抑制することができる、言い換えれば発電効率を向上することができる。

なお、図３においては高温脱硫装置１８をモジュールＭの外面に配置した例を示したが、高温脱硫装置１８を高温となる部位に配置することで同様の効果を奏することができる。それゆえ、例えば高温脱硫装置１８を、モジュールＭより排気される排ガスが、燃料電池装置の外部に排気されるまでの排ガスラインに設けることもできる。それにより、上述
と同様に、効率よく高温脱硫装置１８を加熱することができることから、運転効率を向上することができる。

また、燃料電池セルとして固体高分子形の燃料電池セルを備えてなる燃料電池装置においては、例えば、改質器の熱を有効利用すればよく、改質器の外面に設けるほか、改質器から排出される排ガスを有効利用すればよい。

図４は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムのさらに他の一例を示す構成図である。

燃料電池装置の起動時においては、高温脱硫装置１８の温度が十分な温度となっていない場合がある。この場合においては、高温脱硫装置１８での脱硫処理が不十分となり、未脱硫の原燃料が多く常温脱硫装置１９に供給されることとなるため、常温脱硫装置１９の活性を高めることが好ましい。

それゆえ、図４に示す燃料電池システムにおいては、常温脱硫装置１９の温度を測定するための温度センサ（図示せず）を備えるとともに、常温脱硫装置１９を加熱するヒーター等の加熱装置３０を備えており、制御装置９が、温度センサが計測した常温脱硫装置１９の温度に基づいて、加熱装置３０の動作を制御する。

それにより、常温脱硫装置１９の温度を上昇させることができ、常温脱硫装置１９の活性を高めることができる。

なお、常温脱硫装置１９として、収納容器内に銀ゼオライト触媒を収納してなる場合には、制御装置９は、常温脱硫装置１９の温度が７０〜１３０℃の範囲となるように、加熱装置３０の動作を制御することが好ましい。

具体的には、制御装置９は、温度センサにより計測された常温脱硫装置１９が所定の温度（例えば７０℃）未満の場合には、加熱装置３０を作動させる制御を行なうことが好ましい。

一方、常温脱硫装置１９の温度が高くなりすぎると、常温脱硫装置１９の活性が低下するほか、劣化が生じるおそれがあるため、常温脱硫装置１９が所定の温度（例えば１３０℃）より高くなった場合には、制御装置９は加熱装置３０の動作を停止する制御を行なうことが好ましい。

それにより、燃料電池装置の起動時において、高温脱硫装置１８の活性が低い場合であっても、常温脱硫装置１９の活性を高めることができ、効率よく脱硫を行なうことができる。

図５、図６は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムのさらに他の一例を示す構成図である。

上述のような高温脱硫装置１８での脱硫処理後の原燃料は温度が高くなっているため、そのまま常温脱硫装置１９に供給した場合に、常温脱硫装置１９の温度が上昇しすぎることで、脱硫能が低下するおそれがある。それゆえ、高温脱硫装置１８で処理した後の原燃料を他の流体と熱交換することで、原燃料の温度を低下させることができ、常温脱硫装置１９を一定の温度範囲に保つことができ、他の流体との熱交換と合わせて、さらに運転効率を向上することができる。

ここで、図５に示す燃料電池システムにおいては、高温脱硫装置１８と常温脱硫装置１９との間に、高温脱硫装置１８にて脱硫処理された後の原燃料と、セルスタック１に供給する酸素含有ガスとで熱交換する熱交換器３１を備える例を示している。

それにより、高温脱硫装置１８にて脱硫処理された後の原燃料の温度を低下することができ、常温脱硫装置１９が劣化することを抑制できるほか、セルスタック１に温度が上昇した酸素含有ガスを供給することができることから、運転効率を向上することができる。

また、図６に示す燃料電池システムにおいては、高温脱硫装置１８と常温脱硫装置１９との間に、高温脱硫装置１８にて脱硫処理された後の原燃料と、改質器４に供給する水とで熱交換する熱交換器３３を備えており、水ポンプ５と熱交換器３３とが水供給管３２にて接続されている例を示している。

それにより、高温脱硫装置１８にて脱硫処理された後の原燃料の温度を低下することができ、常温脱硫装置１９が劣化することを抑制できるほか、改質器４に温度の上昇した水を供給することができることから、改質器４の気化部２４にて吸熱される気化熱の量を低減できることで、セルスタック１の温度を高温に保持することができ、発電効率を向上することができる。

また、図には示していないものの、例えば、高温脱硫装置１８と常温脱硫装置１９との間に、高温脱硫装置１８にて脱硫処理された後の原燃料と、高温脱硫装置１８に供給する原燃料との熱交換を行なう熱交換器を配置することや、循環配管１２を流れる水とで熱交換を行なう熱交換器を配置することや、常温脱硫触媒１９での脱硫後の原燃料とで熱交換を行なう熱交換器を配置することもできる。

いずれの場合においても、高温脱硫装置１８にて脱硫処理された後の原燃料の温度を低下することができ、常温脱硫装置１９が劣化することを抑制できる。

また、高温脱硫装置１８にて脱硫処理された後の原燃料と、高温脱硫装置１８に供給する原燃料との熱交換を行なう熱交換器を配置した場合には、高温脱硫装置１８に供給する原燃料の温度を上昇させることができることから、高温脱硫装置１８での脱硫効率を向上することができ、あわせて高温脱硫装置１８を高温に維持するための電力等の消費量を低減でき、発電効率を向上することができる。

また、高温脱硫装置１８にて脱硫処理された後の原燃料と、循環配管１２を流れる水とで熱交換を行なう熱交換器を配置した場合には、循環配管１２を流れる水を効率よくお湯にすることができる。

さらに、高温脱硫装置１８にて脱硫処理された後の原燃料と、常温脱硫触媒１９での脱硫後の原燃料とで熱交換を行なう熱交換器を配置した場合には、改質器４に供給される原燃料の温度を上昇でき、改質器４での改質効率を向上することができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上記の説明において、温度センサにより計測された常温脱硫装置１９が所定の温度未満の場合に、制御装置９が加熱装置３０を作動させ、常温脱硫装置１９が所定の温度より高くなった場合に、加熱装置３０の動作を停止させる制御について説明したが、例えば、制御装置９は、加熱装置３０を作動させてから、所定時間経過後に加熱装置３０の
動作を停止させる制御を行なってもよい。そのような所定時間は、例えば０．５〜２時間とすることができる。

１：セルスタック
４：改質器
９：制御装置
１８：高温脱硫装置
１９：常温脱硫装置
３０：加熱装置
３１、３３：熱交換器
Ｍ：燃料電池モジュール

Claims

原燃料供給手段より供給された硫黄を含む原燃料を脱硫するための脱硫装置を備えてなり、該脱硫装置は、前記原燃料供給手段側に配置された高温脱硫装置と、該高温脱硫装置の下流側に配置された常温脱硫装置とを備えることを特徴とする燃料電池装置。
前記常温脱硫装置の温度を上昇させるための加熱装置と、前記常温脱硫装置の温度を測定するための温度センサと、該温度センサが計測した前記常温脱硫装置の温度に基づいて、前記加熱装置の動作を制御する制御装置とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、前記常温脱硫装置により脱硫された原燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための水蒸気改質可能な改質器とを備えるとともに、前記高温脱硫装置と前記常温脱硫装置との間に配置され、前記高温脱硫装置にて脱硫処理された後の原燃料と、前記高温脱硫装置、前記燃料電池セルおよび前記改質器のうち少なくとも一つに供給される流体とで熱交換を行なうための熱交換器とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。