JP2016207578A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電装置において、大型化・複雑化を抑制しつつ、リターン通路の結露を防止可能な構造を備えたもの、等を提供することである。【解決手段】燃料電池発電装置１は、燃料ガスを水添脱硫する脱硫器１６と、脱硫された燃料ガスを水蒸気改質する燃料改質器２３と、この燃料改質器２３からの改質ガスと空気の供給を受けて発電を行う燃料電池発電部１５と、改質ガス通路２６から分岐して燃料ガス通路１１の脱硫器１６の上流側に接続して改質ガスの一部を戻すリターン通路３１とを備え、リターン通路３１の途中部に、改質ガス中の水分を除去する気液分離器３２が設けられ、リターン通路３１は、気液分離前の改質ガスが流れる上流側リターン通路部３５と、気液分離後の改質ガスが流れる下流側リターン通路部３６とを備え、上流側リターン通路部３５と下流側リターン通路部３６との間で伝熱可能に構成した改質ガス熱交換部３３を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池発電装置に関し、特に燃料ガスに含まれる硫黄分を水添脱硫で除去する脱硫器を備えたものに関する。

従来から、ジルコニア等のイオン伝導性セラミックスを使用した電解質を挟み込むように１対の電極（酸素極及び燃料極）を設け、酸素極（カソード）側に酸化剤ガスを供給し、燃料極（アノード）側に改質ガス（水素含有ガス）を供給して、これらを高温環境下で酸化還元反応させることで化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生させる燃料電池発電装置が実用に供されている。

上記の燃料電池発電装置は、酸化剤ガスと改質ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックとこの燃料電池セルスタックに供給する改質ガスを純水（水蒸気）と燃料ガスから生成する燃料改質器とオフガスを燃焼処理するオフガス燃焼室等を有する燃料電池発電部、この燃料電池発電部からの排気を外部に排出する排気通路、この燃料電池発電部に酸化剤ガスや燃料ガス及び純水等を供給する各種供給装置や各種器具を制御する制御ユニット等を備えている。

ところで、上記の燃料改質器に供給される燃料ガスには、付臭材として硫黄化合物が混合されている都市ガスやＬＰＧ等が使用されている。このため、燃料改質器に硫黄化合物を含んだ燃料ガスが直接供給されると、燃料改質器の触媒が硫黄化合物によって劣化してしまうという問題がある。そこで、従来では、燃料ガス中の硫黄化合物を除去する為に、燃料ガス通路の途中部に脱硫器が設けられている。

上記の燃料ガスの脱硫技術において、脱硫前の燃料ガスに少量の水素を添加し、硫黄化合物と水素とを化学反応させて硫化水素を生成し、この硫化水素を脱硫剤（水素添加型脱硫剤）に吸着させることで燃料ガスの脱硫を行う水添脱硫方式の技術が実用に供されている。燃料ガスに水素を添加する際に、燃料改質器から燃料電池セルスタックに供給される改質ガスの一部を、燃料ガス通路の脱硫器の上流側に戻す技術が知られている。

例えば、特許文献１の燃料電池システムにおいて、燃料改質器と燃料電池セルスタックとを接続する燃料ガス供給経路から分岐して脱硫部の上流側へ改質ガスを戻すリサイクル経路（リターン通路）が設けられ、このリサイクル経路に上流側から下流側に向かって凝縮器と気液分離部と流量調整部とが設けられ、リサイクル経路のうちの気液分離部と流量調整部との間の一部と燃料電池発電部とを伝熱可能に構成した加熱部が設けられた構造が開示されている。

ところで、上記の改質ガスの一部をリサイクルする構造では、改質ガスには水蒸気改質によって水蒸気が多く含まれているので、改質ガスを戻している最中に水蒸気が結露することで、リサイクル経路が閉塞されるという問題がある。そこで、上記の特許文献１の燃料電池システムには、気液分離部で気液分離された飽和状態の改質ガスを、リサイクル経路を流れる間に加熱部で加熱することで、改質ガス中の水分の再凝縮を防止し、リサイクル経路が閉塞されることを防止する技術が開示されている。

特開２０１４−１３５１５２号公報

しかし、上記の特許文献１の燃料電池システムにおいて、リサイクル経路のうちの気液分離部と流量調整部との間の一部と燃料電池発電部とを伝熱可能に構成しているが、この構造では、気液分離後の改質ガスを加熱する為の専用構造を燃料電池発電部に組み付ける必要があり、また、気液分離前の改質ガスを冷却する為の凝縮器を燃料電池発電部に設置する必要があるので、燃料電池発電装置の部品点数が増加し、大型化・複雑化してしまうという問題がある。

本発明の目的は、燃料電池発電装置において、大型化・複雑化を抑制しつつ、気液分離前の改質ガス中の水蒸気の凝縮を促進すると共に、気液分離後の改質ガス中の水蒸気の再凝縮を防止可能な構造を備えたもの、等を提供することである。

請求項１の燃料電池発電装置は、燃料ガスが供給される燃料ガス通路と、この燃料ガス通路を流れる燃料ガスに含まれる硫黄分を水添脱硫により除去する脱硫手段と、この脱硫手段によって脱硫された燃料ガスを水蒸気改質する改質手段と、この改質手段からの改質ガスと空気の供給を受けて発電を行う発電部と、前記改質手段と前記発電部とを接続する改質ガス通路と、この改質ガス通路から分岐して前記燃料ガス通路の前記脱硫手段の上流側に接続して改質ガスの一部を戻すリターン通路とを備えた燃料電池発電装置において、前記リターン通路の途中部に、改質ガス中の水分を除去する気液分離器が設けられ、前記リターン通路は、気液分離前の改質ガスが流れる上流側リターン通路部と、気液分離後の改質ガスが流れる下流側リターン通路部とを備え、前記上流側リターン通路部と前記下流側リターン通路部との間で伝熱可能に構成した改質ガス熱交換部を備えたことを特徴としている。

請求項２の燃料電池発電装置は、請求項１の発明において、前記下流側リターン通路部の配管径は、前記上流側リターン通路部の配管径より小さく設定されていることを特徴としている。

請求項３の燃料電池発電装置は、請求項１又は２の発明において、前記改質ガス熱交換部は、前記下流側リターン通路部の一部を前記上流側リターン通路部の一部の外周側に巻き付け、その巻き付けた部分の周囲を断熱材で覆うことで構成されていることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、リターン通路の途中部に、改質ガス中の水分を除去する気液分離器が設けられ、リターン通路は、気液分離前の改質ガスが流れる上流側リターン通路部と、気液分離後の改質ガスが流れる下流側リターン通路部とを備え、上流側リターン通路部と下流側リターン通路部との間で伝熱可能に構成した改質ガス熱交換部を備えたので、この改質ガス熱交換部によって、気液分離前の改質ガスと気液分離後の改質ガスとの間で熱交換することができる。

従って、改質ガス熱交換部を介して、上流側リターン通路部を流れる気液分離前の改質ガスの温度を低下させることで、改質ガス中の水蒸気の凝縮を促進し、下流側リターン通路部を流れる気液分離後の改質ガスの温度を上昇させることで、改質ガスの再凝縮を防止するので、特許文献１のように加熱部や凝縮器を追加的に設ける必要がなくなり、燃料電池発電装置の大型化・複雑化を抑制しつつ、リターン通路の気液分離器より下流側に結露が発生するのを防止することができる。

請求項２の発明によれば、下流側リターン通路部の配管径は、上流側リターン通路部の配管径より小さく設定されているので、下流側リターン通路部に流量調整弁を設置せずとも、燃料ガス通路に戻される改質ガスの流量を抑えることができ、コストを低減することができる。

請求項３の発明によれば、改質ガス熱交換部は、下流側リターン通路部の一部を上流側リターン通路部の一部の外周側に巻き付け、その巻き付けた部分の周囲を断熱材で覆うことで構成されているので、低コストで且つ簡単な構造でもって改質ガス熱交換部を構成することができる。

本発明の実施例に係る燃料電池発電装置の概略構成図である。 改質ガス熱交換部の正面図である。 部分変更形態に係る改質ガス熱交換部の正面図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、燃料電池発電装置１の全体構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置１は、燃料電池発電モジュール２、発電用空気供給手段３、改質用空気供給手段４、燃料ガス供給手段５、純水供給手段６、改質ガス再利用手段７、排熱回収手段（図示略）等を備え、燃料電池発電モジュール２にて発電された直流電力がパワーコンディショナユニット（図示略）を介して交流電力に変換されて外部に出力される。

尚、この燃料電池発電装置１は、例えば、排熱回収手段の熱交換器による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯給湯装置と、この貯湯給湯装置と燃料電池発電装置１とに亙って湯水を循環させる為の排熱回収循環回路等と組み合わせることで燃料電池コージェネレーションシステムを構成することができるが、燃料電池発電装置１以外の構成の詳細な説明は省略する。

次に、各種の供給装置３〜６等の補機類について説明する。
図１に示すように、発電用空気供給手段３は、発電用空気が流れる発電用空気通路３ａと、この発電用空気通路３ａの途中部に設置された発電用空気ファン３ｂ等を備え、外部から空気を発電用空気ファン３ｂに取り込み、この取り込まれた空気を酸化剤ガスとして、発電用空気通路３ａを介して燃料電池発電部１５の空気用熱交換器２４に供給する。

改質用空気供給手段４は、改質用空気が流れる改質用空気通路４ａと、この改質用空気通路４ａの途中部に設置された改質用空気ファン４ｂ等を備え、外部から燃料改質用の空気を改質用空気ファン４ｂに取り込み、この取り込まれた空気を改質用空気通路４ａを介して燃料電池発電部１５の蒸発器２２及び燃料改質器２３に供給する。

燃料ガス供給手段５は、燃料ガスが供給される燃料ガス通路１１と、この燃料ガス通路１１の途中部に設置された燃料昇圧ブロワ１２や後述する脱硫器１６を備え、図示外のガス供給源からの燃料ガスを燃料昇圧ブロワ１２に取り込み、この昇圧された燃料ガスを脱硫器１６を通して水添脱硫し、この脱硫された燃料ガスを燃料電池発電部１５の蒸発器２２及び燃料改質器２３に供給する。

純水供給手段６は、純水が流れる純水供給通路６ａと、この純水供給通路６ａの途中部に設置された純水ポンプ６ｂ等を備え、排熱回収手段で排気を冷却して発生した凝縮水を回収し、凝縮水から不純物を取り除いて生成された純水を貯留した後に純水供給通路６ａを介して燃料電池発電部１５の蒸発器２２及び燃料改質器２３に供給する。

次に、燃料電池発電モジュール２について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電モジュール２は、燃料電池発電部１５、燃料ガス中の硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を有する脱硫器１６、燃料電池発電部１５と脱硫器１６等を収納した薄鋼板製の直方体状のケース部材１７等を備えている。ケース部材１７の内部には、燃料電池発電部１５と脱硫器１６の周囲を覆うように石膏ボードからなる断熱材１８が収納されている。

燃料電池発電部１５は、燃料電池セルスタック２１、蒸発器２２、燃料改質器２３、空気用熱交換器２４、これら器具を燃焼ガスによって加熱するオフガス燃焼室２５等を備え、燃料改質器２３によって改質された改質ガス及び酸化剤ガスを燃料電池セルスタック２１で高温の環境下で化学反応させることで発電を行うものである。

燃料電池セルスタック２１は、複数（例えば１２０〜１４０本）の燃料電池セル２１ａを並べて構成されている。各燃料電池セル２１ａは、上下方向に延びる筒形構造体に構成され、図示は省略するが、円筒形状の内側の燃料極と、円筒形状の外側の酸素極と、内側の燃料極と外側の酸素極とに挟まれるように設けられたジルコニア等の固体電解質とを備えている。

各燃料電池セル２１ａの燃料極側（各燃料電池セル２１ａの内部通路）には、燃料改質器２３から改質ガス通路２６とマニホールド２７を介して改質ガスが供給され、各燃料電池セル２１ａの酸素極側（各燃料電池セル２１ａの外部）には、空気用熱交換器２４から酸化剤ガス通路２８を介して酸化剤ガスが供給され、これらを高温の環境下で電気化学反応させて直流電力を生成する。

蒸発器２２は、燃料ガスに混合する為の水蒸気を純水から生成して燃料改質器２３に供給するものである。燃料改質器２３（改質手段に相当する）は、ニッケルや白金等の改質触媒を有し、脱硫された燃料ガスと水蒸気と（起動時には改質用空気と）を混合して反応（水蒸気改質、部分酸化改質等）させて改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池セルスタック２１の燃料極側に供給する。

オフガス燃焼室２５は、燃料電池セルスタック２１の発電に伴い生じる残余燃料ガス（発電に寄与しなかった未使用の改質ガスと酸化剤ガス）を燃焼処理する為のものであり、燃料電池セルスタック２１の燃料電池セル２１ａの燃料極側及び酸素極側の各排出側と接続されている。オフガス燃焼室２５では、燃料極側から排出された残余燃料ガスと、酸素極側から排出された酸素を含む空気とを燃焼させることによって高温の排気を生成し、この排気で燃料改質器２３等を加熱してから、排気通路２９を介して外部に排出する。

尚、燃料電池発電部１５から排出される排気は、排気通路２９に設けられた排熱回収手段の熱交換器（図示略）にて排熱回収循環回路を循環する湯水との間で熱交換され温度が低下した後に外部に排出される。排気中に含まれる水蒸気は、熱交換によって冷却されて凝縮水となる。

次に、脱硫器１６（脱硫手段に相当する）について説明する。
図１に示すように、脱硫器１６は、燃料ガス通路１１を流れる燃料ガスに含まれる硫黄分（硫黄化合物）を水添脱硫により除去する為のものであり、ケース部材１７の内部において断熱材１８に挟まれるように、燃料ガス通路１１の上流側燃料ガス通路部１１ａと下流側燃料ガス通路部１１ｂとの間に設けられている。この脱硫器１６は、燃料電池発電部１５の発電運転中に高温となる燃料電池発電部１５の近傍の高温領域（例えば２００〜３２０℃程度）に配置されている。

脱硫器１６は、薄鋼板製の箱状に構成され、高温で性能を発揮する脱硫剤が収納されている。この脱硫剤は、金属酸化物や金属成分担持酸化物等を含有する公知の脱硫剤である。

尚、脱硫器１６は、ケース部材１７の内部に収納されているが、特にこの箇所に限定する必要はなく、燃料電池発電部１５の発電運転中に高温となる高温領域になる箇所であれば、脱硫器１６をケース部材１７の周囲に配置しても良く、適宜変更可能である。

次に、本発明に関連する改質ガス再利用手段７について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置１は、改質ガスの一部が流れるリターン通路３１、改質ガス中の水分を除去する気液分離器３２、気液分離前の改質ガスと気液分離後の改質ガスとの間で熱交換を行う改質ガス熱交換部３３等を備え、これら器具から改質ガス再利用手段７が構成されている。改質ガス再利用手段７は、改質ガス通路２６を流れる改質ガスの一部を、リターン通路３１を介して燃料ガス通路１１に戻すものである。

リターン通路３１は、改質ガス通路２６から分岐されて燃料ガス通路１１の脱硫器１６の上流側の上流側燃料ガス通路部１１ａに接続されている。リターン通路３１は、ステンレス鋼管から構成され、気液分離前の改質ガスが流れる上流側リターン通路部３５と、気液分離後の改質ガスが流れる下流側リターン通路部３６とを備えている。リターン通路３１の途中部であって上流側リターン通路部３５と下流側リターン通路部３６との間には、気液分離器３２が設けられている。

上流側リターン通路部３５は、改質ガス通路２６の途中部から分岐して、鉛直方向の下方に向かって延び、改質ガス熱交換部３３を経て気液分離器３２に挿入され、その下流端は気液分離器３２の底部近傍に配置されている。下流側リターン通路部３６は、気液分離器３２の上端部から鉛直方向の上方に向かって延び、改質ガス熱交換部３３を経て、その下流端は上流側燃料ガス通路部１１ａの燃料昇圧ブロワ１２の上流側に接続されている。

図２に示すように、下流側リターン通路部３６の配管径は、上流側リターン通路部３５の配管径より小さく設定されている。即ち、下流側リターン通路部３６の配管径は、上流側リターン通路部３５の配管径の１／２倍程度に設定されている。例えば、上流側リターン通路部３５は、内径４〜５ｍｍ程度に設定され、下流側リターン通路部３６は、内径２〜３ｍｍ程度に設定されている。

気液分離器３２は、薄鋼板製の箱形の容器で構成され、上流側リターン通路部３５から流入してくる改質ガスと凝縮水とが混在する気液二相流状態の改質ガスを、改質ガスと凝縮水とに分離するものである。気液分離後の凝縮水は、気液分離器３２に一時的に貯留した後に、図示略の排水通路を介して外部に排出しても良いし、又は、排熱から回収した凝縮水と混合して純水に利用しても良い。

次に、改質ガス熱交換部３３について説明する。
図２に示すように、改質ガス熱交換部３３は、上流側リターン通路部３５と下流側リターン通路部３６との間で伝熱可能に構成されている。即ち、改質ガス熱交換部３３は、上流側リターン通路部３５を流れる気液分離前の改質ガスと、下流側リターン通路部３６を流れる気液分離後の改質ガスとの間で熱交換を行うものであり、上流側リターン通路部３５と下流側リターン通路部３６とで熱交換器を構成している。

改質ガス熱交換部３３は、下流側リターン通路部３６の一部３６ａを上流側リターン通路部３５の一部３５ａの外周側に巻き付け、その巻き付けた部分の周囲を断熱材３７で覆うことで構成されている。言い換えると、下流側リターン通路部３６の一部３６ａは、コイル状に構成され、気液分離前の改質ガスの流れ方向と気液分離後の改質ガスの流れ方向とが対向するように、上流側リターン通路部３５の一部３５ａ（縦向き配管部分）の外周面に密着状に配置されている。

断熱材３７は、例えば、発泡ポリプロピレン、発泡ポリスチレン等からなる合成樹脂発泡体製の成形材であって、下流側リターン通路部３６の一部３６ａと上流側リターン通路部３５の一部３５ａの周囲を覆って改質ガス熱交換部３３の放熱を防ぐ断熱機能を有するものである。

次に、本発明の燃料電池発電装置１の作用及び効果について説明する。
燃料電池発電装置１の発電運転に伴い、改質ガス通路２６から改質ガスの一部（例えば、燃料改質器２３から供給される改質ガスの全量の２〜３％程度）が、上流側リターン通路部３５に供給され、この改質ガスは、改質ガス熱交換部３３で気液分離後の略常温の改質ガスによって急速に冷却されることで改質ガス中の水蒸気を凝縮して凝縮水を生成し、この気液二相流状態の改質ガスが気液分離器３２に供給される。

次に、気液分離器３２で水分が除去された改質ガスは、下流側リターン通路部３６に供給され、改質ガス熱交換部３３で気液分離前の高温状態（例えば５００〜７００℃程度）の改質ガスによって加熱されることで、改質ガスの温度を上昇させて改質ガスの相対湿度を低下させ、下流側リターン通路部３６を流れる改質ガス中の水蒸気の再凝縮を抑制する。

その後、改質ガスは、上流側燃料ガス通路部１１ａに供給されて燃料ガスと混合される。尚、改質ガス熱交換部３３においては、気液分離前の改質ガスを常温程度まで低下させると共に、気液分離後の改質ガスを所定温度（例えば１０℃程度）上昇させることが望ましい。

以上説明したように、リターン通路３１の途中部に、改質ガス中の水分を除去する気液分離器３２が設けられ、リターン通路３１は、気液分離前の改質ガスが流れる上流側リターン通路部３５と、気液分離後の改質ガスが流れる下流側リターン通路部３６とを備え、上流側リターン通路部３５と下流側リターン通路部３６との間で伝熱可能に構成した改質ガス熱交換部３３を備えたので、この改質ガス熱交換部３３によって、気液分離前の改質ガスと気液分離後の改質ガスとの間で熱交換することができる。

従って、改質ガス熱交換部３３を介して、上流側リターン通路部３５を流れる気液分離前の改質ガスの温度を低下させることで、改質ガス中の水蒸気の凝縮を促進し、下流側リターン通路部３６を流れる気液分離後の改質ガスの温度を上昇させることで、改質ガスの再凝縮を防止するので、特許文献１のように加熱部や凝縮器を追加的に設ける必要がなくなり、故に、燃料電池発電装置１の大型化・複雑化を抑制しつつ、リターン通路３１の気液分離器３２より下流側に結露が発生するのを防止することができる。

また、下流側リターン通路部３６の配管径は、上流側リターン通路部３５の配管径より小さく設定されているので、下流側リターン通路部３６に流量調整弁を設置せずとも、燃料ガス通路１１に戻される改質ガスの流量を抑えることができ、コストを低減することができる。

さらに、改質ガス熱交換部３３は、下流側リターン通路部３６の一部３６ａを上流側リターン通路部３５の一部３５ａの外周側に巻き付け、その巻き付けた部分の周囲を断熱材３７で覆うことで構成されているので、低コストで且つ簡単な構造でもって改質ガス熱交換部３３を構成することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］図３に示すように、改質ガス熱交換部３３Ａは、上流側リターン通路部３５Ａの一部３５Ａａ（直線状の配管部分）と下流側リターン通路部３６Ａの一部３６Ａａ（直線状の配管部分）とを溶接接合にて固定し、この溶接部分の周囲を断熱材３７Ａで覆うことで上流側リターン通路部３５Ａと下流側リターン通路部３６Ａとの間で伝熱可能に構成されている。この構造によれば、より低コストで且つ簡単な構造でもって改質ガス熱交換部３３Ａを構成することができる。

尚、改質ガス熱交換部３３，３３Ａは、特にその構造を限定する必要はなく、上流側リターン通路部３５と下流側リターン通路部３６との間で伝熱可能に構成され、気液分離前の改質ガスと気液分離後の改質ガスとの間で熱交換可能であれば、適宜変更可能である。

［２］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ 燃料電池発電装置
１１ 燃料ガス通路
１５ 燃料電池発電部
１６ 脱硫器（脱硫手段）
２３ 燃料改質器（改質手段）
２６ 改質ガス通路
３１ リターン通路
３２ 気液分離器
３３ 改質ガス熱交換部
３５ 上流側リターン通路部
３６ 下流側リターン通路部
３７ 断熱材

Claims (3)

1. 燃料ガスが供給される燃料ガス通路と、この燃料ガス通路を流れる燃料ガスに含まれる硫黄分を水添脱硫により除去する脱硫手段と、この脱硫手段によって脱硫された燃料ガスを水蒸気改質する改質手段と、この改質手段からの改質ガスと空気の供給を受けて発電を行う発電部と、前記改質手段と前記発電部とを接続する改質ガス通路と、この改質ガス通路から分岐して前記燃料ガス通路の前記脱硫手段の上流側に接続して改質ガスの一部を戻すリターン通路とを備えた燃料電池発電装置において、
   前記リターン通路の途中部に、改質ガス中の水分を除去する気液分離器が設けられ、
   前記リターン通路は、気液分離前の改質ガスが流れる上流側リターン通路部と、気液分離後の改質ガスが流れる下流側リターン通路部とを備え、
   前記上流側リターン通路部と前記下流側リターン通路部との間で伝熱可能に構成した改質ガス熱交換部を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記下流側リターン通路部の配管径は、前記上流側リターン通路部の配管径より小さく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記改質ガス熱交換部は、前記下流側リターン通路部の一部を前記上流側リターン通路部の一部の外周側に巻き付け、その巻き付けた部分の周囲を断熱材で覆うことで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。