JPH04259760A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は炭化水素系燃料を改質器
により水蒸気改質して得た水素リッチなガスおよび空気
供給手段により供給される空気とを反応ガスとして用い
て電気化学的に発電するとともに、発電にさいし発生す
る熱を冷却用液体を循環して除去する冷却手段を備えた
燃料電池発電装置に係わり、特に保守を容易とする補給
水の処理装置を備えた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、電解質を担持した
マトリックスと、マトリックスを挟持し燃料ガスおよび
酸化剤ガスがそれぞれ通流する燃料ガス流通路および酸
化剤ガス流通路を有する一対の多孔性のガス拡散電極で
ある燃料電極および酸化剤電極からなる単位セルを複数
積層する毎に冷却体を介装し、これら複数の単位セルと
冷却体との積層体を複数積層して燃料電池本体を構成し
、この燃料電池本体に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して
電気化学反応を生じさせて前期両電極から直流電気を発
生させるものである。例えばリン酸型燃料電池発電装置
では電解質にリン酸を、燃料ガスとして例えば常温・常
圧下で気体状態にある天然ガス，ナフサなどの炭化水素
系燃料を水蒸気改質して得た水素リッチなガスを、酸化
剤ガスとしては空気供給手段により供給される空気を用
いるとともに、燃料電池発電装置を高効率で作動させる
ため約　２００℃に維持して運転し、単位セルの温度を
約　２００℃に維持するために、単位セル毎に介装され
る冷却体に冷却液体として例えば純水を循環して、電気
化学反応にさいして生じた損失による熱を単位セルから
除去する燃料電池発電装置が知られている。

【０００３】図３は従来技術によるこのようなリン酸型
燃料電池を用いて電気とともに熱を供給する従来例の熱
併給型燃料電池発電装置のプロセスフロー図である。図
３において１は水冷式燃料電池本体、２は天然ガス，ナ
フサなどの常温・常圧下で気体状態にある炭化水素系燃
料２６を水素リッチなガスに改質する改質器である。燃
料２６は含んでいる硫黄分を水素を含むガスと混合して
脱硫触媒中を通流して水添脱硫する脱硫反応器３で除去
された後、改質用水蒸気２４と混合されて改質器２に導
かれる。改質器２は改質触媒が充填された改質触媒管４
と、改質触媒管４を炭化水素系燃料２６の改質に適合し
た温度、例えば天然ガスの場合　６００〜　８００℃に
加熱するバーナ５とで構成され、バーナ５は燃料２６お
よび燃料電池本体１で反応済の排気燃料ガス（以降、オ
フガスと略称する）９を燃焼して所要の温度を生成する
。燃料２６を改質器２で水蒸気改質することでＣＯはま
だ含有するが水素リッチとなったＣＯ含有燃料ガス８′
を得る。 ＣＯ含有燃料ガス８′は燃料系予熱器６において水蒸気
添加原燃料ガス予熱部６ａで水蒸気添加燃料ガスの加熱
、および原燃料ガス予熱部６ｂで燃料２６が水素リッチ
な水添用燃料ガス２２と混合された原燃料ガスの加熱を
行った後ＣＯ変成器７に導かれる。ＣＯ含有燃料ガス８
′は、そのまま燃料電池本体１に供給するにはＣＯ濃度
が高く燃料極１３の触媒を被毒させるので、これを防止
するためＣＯ変成器７で含有しているＣＯをＣＯ２　と
Ｈ２　Ｏに変成して十分ＣＯ濃度が低下せしめられた燃
料ガス８として燃料電池本体１の燃料電極１３に供給さ
れる。燃料ガス８は燃料電池本体１で空気極１４に供給
された反応用空気１７とともに化学反応して発電作用を
行い水素を消費してオフガス９となって燃料電池本体１
から排出される。しかしオフガス９はまだ水素の残量を
持っているので途中燃料系予熱器１０で予熱されたうえ
でバーナ５に与えられ、バーナ用空気１１とともに燃焼
され、改質触媒管４を所要の温度に加熱する。改質触媒
管４を所要の温度に加熱したうえで排出された改質器排
ガス１２は、燃料系予熱器１０でオフガス９とバーナ用
空気１１を予熱した後、排ガス熱回収用熱交換器１５で
冷水１９と熱交換したうえで外部に放出される。燃料ガ
ス８の一部は分岐され燃料２６に水素リッチな水添用燃
料ガス２２として供給される。なお、始動時に改質触媒
が所定温度に到達していない場合には得られる燃料ガス
８は所要の組成に到達しえず燃料極１３の触媒を被毒す
るおそれがある。そのためバイパス経路２３のバイパス
弁２３′を開いて燃料ガス８を燃料電池本体１に供給せ
ずバーナ５に直接回流するようにする。他方、酸化剤ガ
スである空気については、例えば空気ブロアなど空気供
給手段１６により空気極１４に与えられる反応用空気１
７およびバーナ５に与えられるバーナ用空気１１が供給
される。反応用空気１７は空気極１４で発電作用を行っ
た後、　１５０〜１７０℃の温度の反応済空気（以後、
オフエアと略称する）１８となって燃料電池本体１から
排出される。燃料電池本体１から排出されたオフエア１
８は改質器排ガス１２とともに排ガス熱回収用熱交換器
１５で冷水１９と熱交換したうえで外部に放出される。 冷水１９は高温の改質器排ガス１２およびオフエア１８
から熱を受取って加熱され温水２０になって外部（温水
の需要先）に供給される。そのさい改質器排ガス１２と
オフエア１８には燃料２６の反応生成水が含まれている
ので、排ガス熱回収用熱交換器１５で冷水１９により冷
却することで凝結させ、回収水２１として回収する。

【０００４】燃料電池本体１は電気化学反応による直流
発電を行うと、出力する負荷電流値にほぼ比例した損失
熱を発生する。この損失熱は複数単位セル毎に介装され
た冷却体３０に通流する冷却媒体である例えば純水５１
の加圧沸騰冷却により除去される。純水５１は循環ポン
プ５２によって循環経路を循環するに要する圧力を与え
られ、途中燃料電池発電装置の始動時において、まだ燃
料電池本体１が低温である場合に運転されて、純水５１
を介して燃料電池本体１を所定温度に加熱するための始
動ボイラー５３を経て燃料電池本体１に供給される。燃
料電池本体１の冷却体３０において熱を奪った純水５１
は、電池冷却系熱回収用熱交換器５４で冷水５５と熱交
換した後、水蒸気分離器５７を経て循環ポンプ５２に戻
る。冷水５５は高温の純水５１から熱を受取り加熱され
、温水５６となって外部（温水の需要先）に供給される
。水蒸気分離器５７は圧力容器で構成されており、冷却
体３０から加圧沸騰冷却により熱を奪った純水５１の水
蒸気を分離する。また、水蒸気分離器５７に接続された
蒸気放圧弁５８で水蒸気圧力を調整することで水の飽和
蒸気圧と温度に関する特性に従い純水５１の温度を制御
する。すなわち、純水５１の温度の降下は、蒸気放圧弁
５８を開放し水蒸気分離器５７内の水蒸気を外部に放出
し水蒸気圧力を降下させることで行う。改質器２におけ
る炭化水素系燃料の水蒸気改質には、燃料が例えば天然
ガスの場合には、天然ガス供給量の２〜４倍（モル数比
）の水蒸気を必要とする。この改質用水蒸気２４は水蒸
気分離器５７で分離された水蒸気が用いられ、改質用水
蒸気供給弁２７を介して脱硫後の原燃料ガスと混合され
る。なおこの改質用水蒸気２４を必要に応じて高圧とし
ていったんエゼクタ２５に供給し、その噴流で脱硫後の
原燃料ガスを吸引して改質器２に供給することもある。 また、純水５１は始動ボイラー５３を通過後分岐され、
一部はＣＯ変成器７の触媒を冷却して電池冷却系熱回収
用熱交換器５４の上流で合流する。

【０００５】純水５１は改質用水蒸気２４として供給さ
れたり圧力調整のための蒸気放圧弁５８から放出される
水蒸気として消費されるので、補給を必要とする。この
補給用の水は前記した回収水２１だけでは不足の場合は
上水３９から補給される。回収水２１は改質器排ガス１
２とオフエア１８とが冷却水１９で冷却されることで凝
結したものではあるが、まだ水処理装置６０にとって高
温であるので回収水冷却器５９を介して、また上水３９
は直接水処理装置６０に入る。ところで回収水２１およ
び上水３９からなる補給用の水には、塩素イオン，溶存
酸素などの溶存ガス，金属イオン，リン酸イオン，シリ
カ，カルシウム等の各種の不純物が含まれている。塩素
イオンなどは改質触媒管４中の改質触媒を被毒させ改質
特性を劣化させる。金属イオンは純水５１の電気伝導度
を増大させて、純水５１が燃料電池本体１の冷却体３０
を通流するさいリーク電流を発生せしめる。リーク電流
を防止するため純水５１の電気伝導度は０．２　μＳ／
ｃｍ以下である必要がある。また、溶存酸素は配管など
の金属構造体に応力腐食を生じさせる原因物質であるし
、シリカ，カルシウムなどはスケールとなり各部の弁類
の動作に不具合を生じさせる原因物質となるものである
。不純物による問題の発生を防止するために用いるのが
水処理装置６０である。水処理装置６０は前記した各種
の不純物を除去するために、イオン交換樹脂，活性炭，
ミクロフィルタ，メッシュフィルタなどから構成されて
いる。 水処理装置６０を通流して精製された回収水２１および
上水３９は、純水ポンプ６１によって水蒸気分離器５７
の下流で純水５１に合流される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記した従来例の炭化
水素系燃料を水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスとし
て用いるとともに、燃料電池本体で電気化学反応による
直流発電を行うさいに発生する損失熱を複数の単位セル
毎に介装された冷却体中を通流する純水によって除去す
る燃料電池発電装置においては、補給する水を不純物が
ないよう十分に精製されたものとするために、イオン交
換樹脂，活性炭，ミクロフィルタなどを組合わせた水処
理装置を使用している。しかし、水蒸気改質用などへの
補給水の必要量が多いために処理すべき水量が多く、こ
のためイオン交換樹脂などの交換を頻繁に行うことを要
するなど水処理装置の保守に多くの時間を要するという
問題があった。

【０００７】本発明は前述の従来技術の問題点に鑑みな
されたものであり、その目的はイオン交換樹脂，活性炭
，ミクロフィルタなどを組合わせた水処理装置を用いる
ことなく補給する水の精製を行うことができて、保守を
容易とした燃料電池発電装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では前述の目的は
、

【０００９】１）炭化水素系燃料を改質器により水蒸気
改質して得た水素リッチなガスおよび酸化剤供給手段に
より供給される酸化剤ガスとを反応ガスとして用いて電
気化学的に発電するとともに、発電にさいし発生する熱
を冷却用液体を循環して除去する冷却手段を備え、しか
も燃料電池発電装置から得た回収水および上水とを前記
水蒸気改質に用いる改質用水蒸気を生成するために補給
する水として用いる燃料電池発電装置において、前記冷
却用液体として絶縁油を用いるとともに、前記改質用水
蒸気を生成するために補給する水を、いずれも燃料電池
発電装置の排熱により加熱される脱気槽および蒸気発生
器を順次通流して精製すること、

【００１０】２）前記１項の手段において改質用水蒸気
を生成するために補給する水を、前記冷却用液体によっ
て加熱される脱気槽および前記改質器の排ガスによって
加熱される蒸気発生槽に順次通流し、それぞれ脱気およ
び濃縮不純物のブローダウンをすることで精製すること
、

【００１１】３）前記１項の手段において改質用水蒸気
を生成するために補給する水を、いずれも前記冷却用液
体によって加熱される脱気槽および蒸気発生器に順次通
流し、それぞれ脱気および濃縮不純物のブローダウンを
することで精製すること、により達成される。

【００１２】

【作用】本発明では前述の構成とし、燃料電池本体で生
ずる損失熱を除去する冷却液体の循環経路と、炭化水素
系燃料の水蒸気改質に用いる改質用水蒸気を生成させる
経路とを独立させるとともに、冷却液体を絶縁油とし、
しかも改質用水蒸気を生成させる経路に補給する水はい
ずれも燃料電池発電装置の排熱で加熱される脱気槽およ
び蒸気発生器に通流させるようにした。このことにより
冷却液体の電気伝導度を低下させるようにするための手
段の設置が不要となり、また、改質用水蒸気を生成する
ために補給する水は、まず脱気槽で常圧下で沸騰点より
低いが沸騰温度に近い温度例えば約８０℃に加熱して気
化容易な不純物を放散することで除去し、続いて蒸気発
生器で高圧・高温の水蒸気を発生させつつその工程下で
濃縮される不純物をブローダウンして除去することで、
精製される。これによってイオン交換樹脂，活性炭，ミ
クロフィルタなどを組合わせた水処理装置の設置が不要
となる。

【００１３】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に
説明する。図１は本発明の一実施例の熱併給型燃料電池
発電装置のプロセスフロー図である。図３の従来例と同
一部分には同じ符号を付してその説明を省略する。図１
において３１は冷却体３０に通流して燃料電池本体１に
発生した損失熱を除去する冷却媒体である例えばシリコ
ーン油，耐熱性鉱油などの絶縁油である。絶縁油３１は
絶縁油循環ポンプ３２によって循環経路を循環するに要
する圧力を与えられ、途中、燃料電池発電装置の始動時
にまだ燃料電池本体１が低温である場合に運転されて絶
縁油３１を介して燃料電池本体１を所要温度に加熱する
ための始動バーナ３３，脱気槽用加熱器３５および電池
冷却系熱回収用熱交換器３６を通流し、電池冷却系熱回
収用熱交換器３６では冷水３７と熱交換した後燃料電池
本体１に供給される。冷水３７は高温の絶縁油３１から
熱を受取り加熱され温水３８となって外部（温水の需要
先）に供給される。また、絶縁油３１は電池冷却系熱回
収用熱交換器３６を通過後分岐され、一部はＣＯ変成器
７の触媒を冷却して絶縁油循環ポンプ３２の上流で合流
する。

【００１４】改質用水蒸気２４を生成するためなどに補
給する水である回収水２１および上水３９（以降、補給
水と略称する）はまず脱気槽３４に入り、常圧下で脱気
槽用加熱器３５で沸騰点より低いが沸騰温度に近い温度
例えば約８０℃に加熱される。この温度に加熱されるこ
とで補給水に含まれる不純物のうち気化容易な塩素イオ
ン，溶存酸素などの溶存ガスが補給水から気化し離脱す
る。なお気化した塩素イオン，溶存酸素などの溶存ガス
は燃料電池発電装置の運転中は開放されている放出弁４
０から外部に放出される。気化容易なガスを放出した補
給水は水ポンプ４１によって改質器排ガス１２で加熱さ
れる蒸気発生器用加熱器４３と底部にブローダウン用弁
４４とを備えた蒸気発生器４２に送られて一旦貯溜され
る。蒸気発生器４２に貯溜された補給水は蒸気発生器用
加熱器４３により加熱され高温・高圧の水蒸気になる。 この水蒸気化の工程下で補給水に含まれる金属イオン，
シリカ，カルシウム，リン酸イオン等の不純物は、加熱
によっては蒸発されずしだいに濃縮されるので、固形化
物として析出することのない適切な間隔でブローダウン
用弁４４を開放してブローダウンすることで蒸気発生器
４２から排出する。かくして不純物を除去されて精製さ
れた水蒸気は改質用水蒸気供給弁２７を介して改質用水
蒸気２４として改質器２に供給される。

【００１５】図２は本発明の異なる実施例の熱併給型燃
料電池発電装置のプロセスフロー図である。図１および
図３と同一部分には同じ符号を付してその説明を省略す
る。図２において燃料電池本体１の冷却体３０で熱を除
去した絶縁油３１は、まず電池冷却系熱回収用熱交換器
４５に入る。電池冷却系熱回収用熱交換器４５において
絶縁油３１は冷水４６に熱を与え温水４７として外部（
温水の需要先）に供給する。４８は絶縁油３１で加熱さ
れる蒸気発生器用加熱器４９と底部にブローダウン用弁
４４とを備えた蒸気発生器であり、改質用水蒸気を生成
するとともに補給水に含有する不純物を除去して精製す
るためのものである。絶縁油３１は脱気槽用加熱器３５
を通流し、引続き蒸気発生器用加熱器４９を通流後燃料
電池本体１に供給される。気化容易なガスを放出した補
給水は水ポンプ４１によって蒸気発生器４８に送られて
一旦貯留される。蒸気発生器４８に貯留された補給水は
蒸気発生器用加熱器４９により加熱され高温・高圧の水
蒸気になる。この水蒸気化の工程下で補給水に含まれる
金属イオン，シリカ，カルシウム，リン酸イオン等の不
純物は、加熱によって蒸発されずしだいに濃縮されるの
で、固形化物として析出することのない適切な間隔でブ
ローダウン用弁４４を開放してブローダウンすることで
蒸気発生器４８から排出する。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば前述した通り燃料電池本
体で生ずる損失熱を除去する冷却液体の循環経路と、炭
化水素系燃料の水蒸気改質に用いる改質用水蒸気を生成
するために補給する補給水の経路を独立させるとともに
、冷却液体を絶縁油として、しかも補給水はいずれも燃
料電池発電装置の排熱で加熱される脱気槽および蒸気発
生器を通流させるようにした。そのうえ補給水に含まれ
る不純物の除去の方法として、補給水をまず脱気槽にお
いて常圧下で沸騰点より低いが沸騰温度に近い温度に加
熱して気化容易な不純物をまず除去し、続いて補給水を
蒸気発生器において加熱し高温・高圧の水蒸気にすると
ともに水蒸気化工程で残留する不純物をブローダウンに
より除去するようにした。これによりイオン交換樹脂，
活性炭，ミクロフィルタなどを用いた水処理装置が不要
となり、かつイオン交換樹脂などの保守を不要となしえ
ることで、燃料電池発電装置の構成の簡易化とランニン
グコストの低減ができる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の熱併給型燃料電池発電装置
のプロセスフロー図

【図２】本発明の異なる実施例の熱併給型燃料電池発電
装置のプロセスフロー図

【図３】従来例の熱併給型燃料電池発電装置のプロセス
フロー図

【符号の説明】

１　　　　　　燃料電池本体 ２　　　　　　改質器 ２１　　　　回収水 ２４　　　　改質用水蒸気 ３０　　　　冷却体 ３１　　　　絶縁油 ３４　　　　脱気槽 ３９　　　　上水 ４２　　　　蒸気発生器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭化水素系燃料を改質器により水蒸気改質
   して得た水素リッチなガスおよび酸化剤供給手段により
   供給される酸化剤ガスとを反応ガスとして用いて電気化
   学的に発電するとともに、発電にさいし発生する熱を冷
   却用液体を循環して除去する冷却手段を備え、しかも燃
   料電池発電装置から得た回収水および上水とを前記水蒸
   気改質に用いる改質用水蒸気を生成するために補給する
   水として用いる燃料電池発電装置において、前記冷却用
   液体として絶縁油を用いるとともに、前記改質用水蒸気
   を生成するために補給する水を、いずれも燃料電池発電
   装置の排熱により加熱される脱気槽および蒸気発生器に
   順次通流して精製することを特徴とする燃料電池発電装
   置。
2. 【請求項２】請求項１記載のものにおいて、改質用水蒸
   気を生成するために補給する水を、前記冷却用液体によ
   って加熱される脱気槽および前記改質器の排ガスによっ
   て加熱される蒸気発生器に順次通流し、それぞれ脱気お
   よび濃縮不純物のブローダウンをすることで精製するこ
   とを特徴とする燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】請求項１記載のものにおいて、改質用水蒸
   気を生成するために補給する水を、いずれも前記冷却用
   液体によって加熱されるる脱気槽および蒸気発生器に順
   次通流し、それぞれ脱気および濃縮不純物のブローダウ
   ンをすることで精製することを特徴とする燃料電池発電
   装置。