JPH04322063A - 燃料電池発電プラント - 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】本発明は燃料電池発電プラントに
係り、特に気体燃料であるメタンと液体燃料であるメタ
ノールの両方の燃料を使用燃料として利用できる燃料電
池発電プラントに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に燃料電池は、電池外部から燃料と
酸化剤を連続的に供給し、その燃料の酸化によって生ず
る化学エネルギーを直接電気エネルギーに変化させるも
のである。燃料電池は、使用燃料、運転温度、電解質等
によって種々分類されるが、その中で、天然ガス中の主
成分であるメタンを使用燃料とする燃料電池はコスト的
にも優れた燃料電池の一つである。

【０００３】図３はメタンを使用燃料とする燃料電池発
電プラントの従来例を示す。図３に示した燃料電池発電
プラントは、電池本体１の負極である空気極２へターボ
コンプレッサ３から空気を供給する一方、正極である燃
料極４へ水素ガスを供給して酸化反応によって電流を発
生させるものである。

【０００４】ここで燃料極４に供給される水素は、使用
燃料であるメタンから次のような過程を経て供給される
。すなわち使用燃料のメタンは燃料コンプレッサ２２に
よって加圧され、脱硫器５によって脱硫された後、分離
器６から配管７を通って送られる水蒸気と混合され、予
熱器８に送られてそこで予熱され、次に改質器９に入り
そこにおいて水素リッチガスに改質された後、再び予熱
器８を通り、ＣＯ変成器１０とコンタクトクーラ１１を
経て燃料極４に供給される。また空気極２からの排空気
は配管１２を通って空気予熱器を経て改質器バーナ１３
に導かれ、同様に燃料極４からの排燃料は配管３２を通
って改質器バーナ１３に導かれる。改質器９においては
、Ｎｉ系触媒の存在の下で、約７００℃〜８５０℃の温
度において、反応式

【０００５】

【化１】 によりＣＯを含む水素リッチガスが生成される。この反
応は大きな吸熱反応であり、改質器９の上部に位置する
改質器バーナ１３の燃焼ガスによって、改質器９に反応
熱が補給される。

【０００６】また、ＣＯ変成器１０においては、水素リ
ッチガスと共に改質器９から出力されるＣＯが、電池本
体１における白金触媒に対して被毒となることを防ぐた
めに、反応式

【０００７】

【化２】 で示される反応によりＣＯ２　　と水素とに変換される
。

【０００８】一方、上述したメタンに代えてメタノール
を使用燃料とする燃料電池が次の理由で注目されている
。すなわち、メタノールは、常温で液体であるため輸送
や貯蔵等の取扱いが容易であること、硫黄分や窒素分を
含まないクリーンな燃料であること、天然ガスや石炭等
の豊富に存在する原料から製造することができること等
の利点があり、特に離島用燃料や非常用燃料として有用
である等の理由からである。

【０００９】図４はメタノールを利用する燃料電池発電
プラントの従来例である。図４において、空気ブロワ１
４によって空気が空気極２に供給される一方、メタノー
ルタンク１５に貯蔵されているメタノールは水素に変換
されて燃料極４に供給される。すなわち、メタノールタ
ンク１５中のメタノールは、燃料ポンプ１６によって、
分離器６から送られる水蒸気と共にメタノール改質器１
７に送られて、メタノール改質器１７の中でＣｕ系触媒
の下で約３００℃の温度で水蒸気と改質されて水素リッ
チガスとなる。次にメタノール改質器１７から出力され
る水素リッチガスは、改質ガス気水分離器１９において
未反応のメタノールと水分を分離した後、燃料極４に送
られる。また、燃料極４からの排燃料と空気極２からの
排空気とは各々配管１８ａ、１８ｂによって加熱炉バー
ナ２０ａに導かれてそこで燃焼し、その上部にある加熱
炉２０において油等の熱媒体を加熱するのに用いられる
。加熱された熱媒体は熱媒体循環ポンプ２１によってメ
タノール改質器１７に送られて、そこにおける改質反応
の熱源として機能する。上述したように、メタンを使用
燃料に用いた場合は高温用の改質器が用いられ、メタノ
ールを用いる場合は低温用の改質器が用いられる。

【００１０】ところで、メタンを通常用の使用燃料とし
て使用しメタノールを非常用の使用燃料として使用する
燃料電池発電プラントは、それぞれの使用燃料の利点を
発揮でき極めて有用であると期待されている。そのため
に、メタン用の高温改質器、改質器バーナ、補助バーナ
や熱交換器と、メタノール用の低温改質器、加熱炉、加
熱炉バーナを並列に別々設けることが考えられるが、こ
の場合にはシステムが複雑となり、コスト面、運用面で
不利となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、メタノ
ールをＮｉ系触媒で高温改質すると、次のような問題が
生ずる。メタノールをＮｉ系触媒で高温改質するとまず
触媒層入口で以下に記載した反応式（３）に示される吸
熱反応が起こる。

【００１２】

【化３】 メタノールを使用燃料とする場合には、本来この改質反
応で終結すべきであるが、この反応にとどまらず、発熱
反応である後記反応式（４）、（５）に示されるシフト
反応、メタネーション反応、

【００１３】

【化４】 が併発してＣＯ２　　とＣＨ４　　が生成される。その
ために、水素リッチガスをできるだけ効率的に収集しよ
うとするためには、反応式（５）の過程で生成されるメ
タンを、大きな吸熱反応である反応式（１）に示される
メタンの改質反応に従って水素リッチガスに改質する必
要があり、使用燃料をメタンとする場合と同様に改質器
バーナに多量の熱を供給する必要があることになる。す
なわち、メタノールをＮｉ系触媒で高温改質すると、メ
タネーション反応を経る２段階の改質過程をとるために
、熱効率的に無駄があるという問題点が存在していた。

【００１４】そこで本発明の目的は、上記従来技術が有
する問題点を解消し、メタンおよびメタノールの両者を
使用燃料として利用できるコンパクトで高い熱効率を有
する燃料電池発電プラントを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明による燃料電池発電プラントは、メタン又は
メタノールを含む予熱された混合ガスを水素リッチガス
に改質する改質器と、改質反応に必要な熱を前記改質器
に供給する改質器バーナと、改質反応に必要な熱を前記
改質器に供給する改質器バーナと、前記改質器から出た
水素リッチガスが供給されて電流を発生させる電池本体
とを備えた燃料電池発電プラントにおいて、前記改質器
の混合ガス入口近傍の触媒層にメタネーション反応を抑
制する触媒を充填したことを特徴とする。

【００１６】また、メタネーション反応を抑制する前記
触媒は、Ｃｕ−Ｎｉ系触媒である。

【００１７】さらに、前記電池本体から排出される排燃
料を、前記改質器の所定温度に依存して調節可能に、前
記電池本体に酸素又は空気を送るターボコンプレッサ駆
動用の補助バーナへ供給する。

【００１８】

【作用】使用燃料として選択されたメタノールを含む混
合ガスは、改質器の混合ガス入口の近傍の触媒層に充填
されているメタネーション反応抑制触媒によってメタネ
ーションが抑制されて、改質温度の高いメタンの生成が
抑制されるので、改質温度の低いメタノールを直接的に
水素リッチガスに改質される。一方、使用燃料としてメ
タンを選択すると、メタンを含む混合ガスは、改質器の
混合ガス入口の近傍の触媒層に充填されているメタネー
ション反応抑制触媒で影響されずに単に通過し、そのメ
タネーション反応抑制触媒の上に充填されたメタン改質
触媒の下で高い温度で水素リッチガスに改質される。

【００１９】また、メタンを用いる場合に比べてメタノ
ールの場合はより低い温度で改質されるので、改質器の
温度を低く制御してメタンの場合に比べて改質器バーナ
に送る排燃料の量を少なくでき、一方、電池本体から排
出される排燃料を改質器の所定温度に依存して調節可能
に補助バーナへバイパスすることができるので、少なく
できた改質器バーナに送る排燃料の分を補助バーナの燃
料に利用する。

【００２０】

【実施例】以下本発明による燃料電池発電プラントの実
施例を従来例と同一部分に同一符号を付して示した図１
および図２を参照して説明する。図１は本発明による燃
料電池発電プラントの一実施例の系統図を示す。図１に
おいて、酸化剤としての空気がターボコンプレッサ３に
よって電池本体１の負極である空気極２へ供給される一
方、燃焼剤である水素ガスがコンタクトクーラ１１の出
口から電池本体１の正極である燃料極４へ供給される。 燃料極４に供給される水素は、使用燃料であるメタン又
はメタノールを改質器に導いて水素リッチガスに改質し
たのち供給される。メタン容器内のメタンは燃料コンプ
レッサ２２によって加圧された後、脱硫器５において改
質触媒の被毒となる硫黄分が除去される。一方、メタノ
ールはメタノールタンク１５に貯蔵されており、燃料ポ
ンプ１６によって送り出される。メタンとメタノールは
スイッチ弁２３、２４によって選択的に切換えられいず
れか一方が供給されるが、通常はメタンが主燃料として
選択され、メタンの供給が中断される場合等の非常時に
メタノールが選択される。スイッチ弁２３、２４を通過
したメタンまたはメタノールは、分離器６において分離
されて配管７を通って送られる水蒸気と混合されたのち
に予熱器２６に供給され、ここで、改質器２５から排出
される高温の混合ガスとの間で熱交換されて予熱された
後、改質器２５へ再び導入され、そこで水素リッチガス
に改質される。なお、予熱器２６は使用燃料がメタノー
ルの場合には蒸発器として機能する。

【００２１】次に、改質器２５から導出された水素リッ
チガスを含む混合ガスは、予熱器２６を経てＣＯ変成器
１０へ供給され、ここで電池本体１の中で用いられる白
金触媒の被毒となるＣＯは次式（６）で示される反応式
にしたがって、

【００２２】

【化５】 ＣＯ２　　とＨ２　　とに変換される。ＣＯ変成器１０
から出力される水素リッチガスは、余剰の水分を含んで
いるので、コンタクトクーラ１１の中を循環されて水分
が除去され、燃料極４へ送られる。コンタクトクーラ１
１においては、液化された余剰の水分はシステムの外に
排出される。

【００２３】電池本体１の燃料極４においては以下に記
載した反応式（７）、空気極２においては反応式（８）
に示される反応にしたがって水素と酸素が反応し、燃料
極４から空気極２へ流れる電流と共に水と熱が発生する
。

【００２４】

【化６】 この熱を冷却するために電池本体１の両電極の間に、冷
却板２７が設けられている。冷却板２７には、分離器６
で分離された冷却水と、図示していない水処理設備から
配管７ａで供給される純水との混合水が、冷却水ポンプ
２９によって供給され、それによって電池本体における
反応温度が一定に維持されるようになっている。冷却板
２７から排出される冷却水は、電池本体１の中で付加さ
れた熱により水蒸気と水の２相流になっているが、それ
らは分離器６にもどり、水蒸気と水に分離され、水蒸気
は配管７を通って改質器２５に送られ改質反応に用いら
れる。

【００２５】電池本体１の燃料極４から排出される排燃
料と空気極２から排出される排空気は各々、配管３２お
よび１２を経て、改質器バーナ３０と補助バーナ３１に
送られる。改質器バーナ３０においては改質反応の熱源
として利用され、補助バーナ３１において、メタン供給
源からのメタンガスと共にその燃料として利用される。 ここで、補助バーナ３１の燃焼エネルギーは、ターボコ
ンプレッサ３の駆動エネルギーとして利用される。燃料
極４から伸びる配管３２は、途中で２個の配管３２ａ、
３２ｂに分岐し、配管３２ａは改質器バーナ３０に導か
れ、配管３２ｂは調節弁３７を経て補助バーナ３１に導
かれている。同様に配管１２は配管１２ａと１２ｂに分
岐し、配管１２ａは改質器バーナ３０へ出力する熱交換
器２８へ伸び、配管１２ｂは調節弁３８を経て補助バー
ナ３１へ伸びている。

【００２６】改質器２５の内部の温度は、メタンあるい
はメタノールが使用燃料として選択されたときに、その
使用燃料の改質反応に適した所定の温度に制御されてい
る。メタンの場合は、改質反応は大きい吸収反応である
ため、改質器２５の改質ガス出口４４において約７００
℃〜８５０℃と高温であるのに対し、メタノールの場合
は、もっと低く約４００℃〜５００℃の温度に制御され
ている。これらの温度制御をするために、改質器２５の
内部の改質管４７の頂部に温度センサー３９が設けられ
、そこからの温度の信号に基ずいてコントローラ４０に
よって調節弁３７、３８の開閉度が調節される。すなわ
ち、補助バーナ３１へバイパスされる排燃料、排空気の
量を調節し、それを通じて改質器バーナ３０へ供給され
る排燃料の量が調節される。また同時に、メタノールの
場合に改質器バーナ３０へ供給する必要がなくなった排
燃料の分は、電池本体１に酸素又は空気を送るターボコ
ンプレッサ駆動用の補助バーナ３１へ供給して、排燃料
の有効利用を図り、熱効率をあげることができる。

【００２７】次に図２を参照して図１における改質器２
５の構造を詳細に説明する。図２において、符号４１は
改質器２５の円筒状の外囲器を示し、この外囲器４１の
頂部には改質器バーナ３０が設置されている。外囲器４
１の側壁の下方にはメタンまたはメタノールを含む予熱
された混合ガス４２が導入される混合ガス入口４３と、
改質器２５で水素リッチガスに改質された改質ガスを導
出する改質ガス出口４４とが設けられている。さらに外
囲器４１の頂部には改質器バーナ３０によって生成され
た燃焼ガス４５を外囲器４１内に導く燃焼ガス出口４６
が設けられている。外囲器４１の内部には改質管４７が
設けられており、改質器４７は半球状の頂部４７ａと円
筒状の側部４７ｂとを有している。改質管４７の内側壁
には触媒室４８が設けられており、この触媒室４８の底
部は混合ガス入口４３と連通している。また、改質管４
７の中心部には、触媒室４８の高さと略同一の高さを有
するコア４９が立設されている。

【００２８】外囲器４１の下部と改質管４７の下部との
間の空間には、外囲器４１の内壁面に密着するようにし
て断熱材５０が設けられており、さらにその内側には、
伝熱促進材５１が充填されている。断熱材５０と伝熱促
進材５１の高さは、触媒室４８における好適な温度勾配
が形成されるように決められるが、本実施例においては
触媒室４８の高さの略半分の高さである。

【００２９】改質器２５の温度は、前述したように使用
燃料に依存して決められるのに対し混合ガス入口４３の
温度は、いずれの使用燃料の場合でも約４００℃〜５０
０℃である。これに対し、改質ガス出口４４の温度は、
使用燃料がメタンの場合約７００℃〜８５０℃と高温で
あるが、メタノールの場合には混合ガス入口４３の温度
と大差がなく約４００℃〜５００℃である。

【００３０】触媒室４８には、メタノールを使用燃料と
して使用した場合のメタネーション反応を抑制するメタ
ネーション反応抑制触媒であるＣｕ−Ｎｉ系触媒５２と
、Ｎｉ系改質触媒５３が充填されている。Ｃｕ−Ｎｉ系
触媒５２は、混合ガス入口４３の近傍の触媒室４８の底
部において触媒室４８の高さの略１／３の高さまで充填
されており、Ｎｉ系改質触媒５３は、Ｃｕ−Ｎｉ系触媒
５２の上に触媒室４８の残り略２／３の高さにわたって
充填されている。外囲器４１の頂部に取り付けられた改
質器バーナ３０においては、配管３２ａに通じる燃料口
５５から主に水素が入力されると共に、熱交換器２８の
出力部に通じる空気口５６から主に酸素が入力されて燃
焼し、高温の燃焼ガス４５となって外囲器４１と改質管
４７に包囲された空間に排出され、燃焼ガス４５は、こ
の空間を上方から下方に進み、伝熱促進材５１を通過し
て燃焼ガス出口４６から排出される。

【００３１】以上のように構成された改質器２５におい
て、メタン又はメタノールを含む予熱された混合ガス４
２は、混合ガス入口４３から送り込まれ、触媒室４８を
下方から上方に進んでＣｕ−Ｎｉ系触媒５２とＮｉ系改
質触媒５３を通過して改質されて水素リッチガスを含む
改質ガス５７となり、触媒室４８の内壁とコア４９とで
挟まれた空間で構成されるリターンパス５８を通って改
質ガス出口４４から排出される。

【００３２】このようにして、触媒室４８の内部を上昇
する混合ガス４２と、改質管４７の外壁に沿って下降す
る燃焼ガス４５とは、改質管４７を媒介にして熱交換さ
れ、吸熱反応である改質反応が生じている触媒室４８に
燃焼ガス４５から熱が供給される。

【００３３】触媒室４８の混合ガス入口４３の温度は、
約４００℃〜５００℃に制御されており、メタノールを
使用燃料として用いた場合において従来の改質器９であ
るならばメタネーション反応が最も顕著に起こる温度領
域である。しかし、本実施例においては、改質器２５の
混合ガス入口４３近傍にＣｕ−Ｎｉ系触媒５２が充填さ
れているので、メタネーション反応が抑制され、メタノ
ールは反応式（４）乃至（６）に示されるような２段階
の改質反応を受けることはない。その結果、改質温度の
高いメタンの生成が抑制され、改質温度の低いメタノー
ルを直接的に水素リッチガスに改質できる。なお、使用
燃料としてメタンを選択すると、メタンを含む混合ガス
は、改質器２５の混合ガス入口４３の近傍に充填されて
いるＣｕ−Ｎｉ系触媒５２の影響を受けずに単に通過し
、そのＣｕ−Ｎｉ系触媒５２の上に充填されたＮｉ系改
質触媒５３の下で水素リッチガスに改質される。

【００３４】また、メタンを用いる場合に比べてメタノ
ールの場合はより低い温度で改質されるので、改質器２
５の温度を低く制御してメタンの場合に比べて改質器バ
ーナ３０に送る排燃料の量を少なくできる。一方、電池
本体１から排出される排燃料を改質器２５の所定温度に
依存して調節可能に補助バーナへバイパスすることがで
きるので、少なくできた改質器バーナに送る排燃料の分
を補助バーナ３１で有効に利用することができるので、
熱効率に優れた燃料電池発電プラントを実現することが
できる。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、改質器の混合ガス入口部の触媒層にメタネーシ
ョン反応を抑制する触媒を充填してメタネーション反応
を抑制したので、メタノールを含む混合ガスのメタネー
ションが抑制され、改質温度の低いメタノールを直接的
に水素リッチガスに改質できる一方、使用燃料としてメ
タンを選択すると、メタンを含む混合ガスは、メタネー
ション反応抑制触媒の上に充填されたメタン改質触媒の
下で水素リッチガスに改質できる。

【００３６】また、メタノールを直接的に低い温度で改
質するので改質器バーナに送る排燃料の量を少なくでき
、一方、電池本体から排出される排燃料を改質器の温度
に依存して調節し補助バーナへバイパスすることができ
るので、その少なくできた改質器バーナに送る排燃料の
分を補助バーナの燃料に利用することができる。その結
果、メタンおよびメタノールの両者を使用燃料として利
用できるコンパクトで高い熱効率を有する燃料電池発電
プラントが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池発電プラントの一実施例
を示した系統図。

【図２】本発明の改質器の一実施例を示した縦断面図。

【図３】メタンを使用燃料とした従来の燃料電池発電プ
ラントを示した系統図。

【図４】メタノールを使用燃料とした従来の燃料電池発
電プラントを示した系統図。

【符号の説明】

１　　　　電池本体 ３　　　　ターボコンプレッサ １３　　改質器バーナ ２５　　改質器 ３１　　補助バーナ ４３　　混合ガス入口 ５２　　メタネーション反応抑制触媒

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】メタン又はメタノールを含む予熱された混
   合ガスを水素リッチガスに改質する改質器と、改質反応
   に必要な熱を前記改質器に供給する改質器バーナと、前
   記改質器から出た水素リッチガスが供給されて電流を発
   生させる電池本体とを備えた燃料電池発電プラントにお
   いて、前記改質器の混合ガス入口近傍の触媒層にメタネ
   ーション反応を抑制する触媒を充填したことを特徴とす
   る燃料電池発電プラント。
2. 【請求項２】メタネーション反応を抑制する前記触媒は
   、Ｃｕ−Ｎｉ系触媒であることを特徴とする請求項１に
   記載の燃料電池発電プラント。
3. 【請求項３】前記電池本体から排出される排燃料を、前
   記改質器の所定温度に依存して調節可能に、前記電池本
   体に酸素又は空気を送るターボコンプレッサ駆動用の補
   助バーナへ供給することを特徴とする請求項１に記載の
   燃料電池発電プラント。