JPH0547402A

JPH0547402A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPH0547402A
Application number: JP3223597A
Authority: JP
Inventors: Minoru Koga; 実古賀; Soichiro Kawakami; 総一郎河上; Minoru Mizusawa; 実水澤
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1993-02-26
Anticipated expiration: 2015-12-18
Also published as: JP3118890B2

Abstract

(57)【要約】【目的】リン酸型燃料電池発電装置をコンパクトにし
て狭い設置スペースにも設置できるようにする。【構成】リン酸型燃料電池発電装置の主要構成機器で
ある燃料電池Ｉ、改質器５、熱交換器７、シフトコンバ
ータ６をいずれもプレート構造にする。プレート構造と
した改質器５、熱交換器７、シフトコンバータ６と燃料
電池を同一パイルに積み重ねてパッケージ化する。上記
各構成機器Ｉ，５，６，７は積み重ねにより隣接するの
で、相互に接続するための配管が容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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させるエネルギー部門
で用いる燃料電池のうち、電解質にリン酸水溶液を使用
したリン酸型燃料電池の発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】リン酸型燃料電池は、第１世代の燃料電
池として研究開発が進められ、実用化されるところまで
来ている。

【０００３】このリン酸型燃料電池は、図５に概略の一
例を示す如く、電解質としてリン酸水溶液をしみ込ませ
た電解質板１を空気極２と燃料極３で両側から挟んでセ
ルとし、このセルをセパレータ４を介し多数積層してス
タックとした構成とし、更に、上記空気極２と燃料極３
に触媒を分散担持させた構成としてあり、燃料極３に燃
料ガスＦＧとして水素ガスＨ₂を供給すると、燃料極３
側では、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- の反応が行われて、水素が電子を放出し、水素イオンと
なり、水素イオン２Ｈ⁺は電解質板１を通って空気極２
へ達し、電子２ｅ^-は外部回路を通って空気極２に移動
する。一方、空気極２では、空気極２に供給された酸素
が電子２ｅ^-を受け取り、水素イオン２Ｈ⁺と反応し
て、すなわち、２ｅ^-＋1/2 Ｏ₂＋２Ｈ⁺→Ｈ₂Ｏの反応が行われて水Ｈ₂Ｏになり、空気極２と燃料極３
間に直流の電気が発生するようにしてある。

【０００４】従来、上記リン酸型燃料電池を用いた発電
システムとしては、図６に示す如き系統構成のものがあ
る。リン酸型燃料電池Ｉの燃料極３に担持されている触
媒にとって一酸化炭素ＣＯが被毒物質となるので、燃料
ガス中のＣＯを１％以下にするためのシフトコンバータ
（一酸化炭素変成器）６が燃料電池Ｉの燃料極３の上流
側に設置してあり、更に、図７でシフトコンバータ６で
変成されたガスの出口温度とＣＯの量との関係に示す如
く、ＣＯを１％以下に抑えるためにはシフトコンバータ
６のガス出口温度を２５０℃以下に低下させる必要があ
ることから、改質器５で得られる温度（７００℃）から
上記２５０℃以下のシフトコンバータ運転温度に下げる
ための熱交換器７が改質器５の下流側とシフトコンバー
タ６の上流側との間に設置してあり、燃料として、たと
えば、都市ガスＴＧを用いる場合は、都市ガスＴＧが熱
交換器７で予熱され、シフトコンバータ６で熱を奪って
改質器５の改質室に導入されると、ここで改質され、改
質された高温の燃料ガスＦＧは、上記熱交換器７でシフ
トコンバータ６での運転温度まで温度を下げられてから
シフトコンバータ６内へ導入され、ＣＯ濃度を１％以下
に抑えて燃料電池Ｉの燃料極３の入口へ供給させるよう
にしてある。又、上記燃料極３から排出されたガスは、
改質器５の燃焼室へ送られ、燃焼室で燃焼させるように
してあり、空気極３からの排出されたガスは、改質器５
の燃焼室から排出される燃焼排ガスとともに大気へ排出
するようにしてあり、更に、燃料電池Ｉの冷却部８に
は、途中に気水分離器９、冷却水循環ポンプ１０、熱処
理熱交換器１１を有する冷却水循環ライン１２を接続
し、水処理装置１３にて処理された水Ｈ₂Ｏを給水ポン
プ１４にて上記冷却水循環ライン１２に供給できるよう
にし、循環される冷却水の一部を上記熱交換器７の下段
側を経て上記気水分離器９へ戻すようにし、気水分離器
９で分離されたガス分を上記熱交換器７の上段側の蒸気
過熱部より水蒸気として水蒸気ライン１５により改質器
５の上流側へ供給できるようにしてある。１６は熱処理
熱交換器１１に冷媒を供給する冷媒循環ラインで、冷媒
循環ポンプ１７、水回収凝縮器１８、排熱回収熱交換器
１９、乾式冷却塔設備２０等が備えられている。２１は
水回収凝縮器１８にて凝縮された排気中の水を貯えて水
処理装置１３へ導くようにする水タンク、２２は燃料電
池Ｉの燃料極３と空気極２間で発生した直流の電気を交
流出力とするインバータである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、燃料電池発
電装置は、今後、ホテル、病院、集合住宅等の町中にも
設置されることが予想されるが、上記した従来のリン酸
型燃料電池発電システムの場合には、燃料電池Ｉ、改質
器５、熱交換器７、シフトコンバータ６が別置設置され
ている構成のため、設置場所に広いスペースが必要とな
ると共に、上記各構成機器間を接続する配管も複雑で且
つ放熱損失も多い、等の問題がある。

【０００６】そこで、本発明は、従来別置設置されてい
る構成機器をコンパクトにまとめて、配管が容易で且つ
放熱損失も少ないリン酸型燃料電池発電装置を提供しよ
うとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、プレート上に改質用触媒を充填して形成
した改質室とプレート上に燃焼用触媒を充填して形成し
た燃焼室とを重ね合わせて一体化し、燃焼室に空気の供
給口と燃料の導入部を設けると共に燃焼排ガスの出口を
設け、又、改質室に改質原料ガスの入口と燃料ガスの出
口を設けたプレート形改質器と、シフト反応触媒を充填
したシフト反応部と該シフト反応部を冷却させるガス予
熱部を有するプレート形シフトコンバータと、高温流体
流路と低温流体流路を隔離板を介し交互に積層してなる
プレート形熱交換器とを同一パイルに積層し、改質器の
改質室入口と熱交換器の低温側出口、改質室出口と高温
側入口、シフトコンバータのシフト反応部入口と熱交換
器の高温側出口、シフトコンバータのガス予熱部と改質
器の燃焼室入口とをそれぞれ接続し、上記シフト反応部
の出口を燃料電池の燃料極入口に接続させた構成とす
る。又、電解質板を燃料極と空気極で両面から挟み且つ
冷却部を含むセルをセパレータを介し積層してスタック
とした構成の燃料電池を設置し、該燃料電池の燃料極と
シフトコンバータとを接続し、全体を容器内に収めた構
成とする。

【０００８】

【作用】改質器、熱交換器、シフトコンバータをいずれ
もプレート形として積層し易くし、同一パイルに積層し
てパッケージ化するので、コンパクト化が図れる。積層
により各機器が隣接するので、配管が容易で、且つ放熱
損失も少なくできる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１０】図１は本発明の一実施例を示すもので、改
質器５と、熱交換器７とシフトコンバータ６とを各々プ
レート形にして、積層し易く且つ単位容積当りの伝熱面
積が大きい機器に変更して同一パイルに積層させるよう
にする。すなわち、図６と同様に、リン酸水溶液を含浸
させた電解質板１を空気極２と燃料極３とでサンドイッ
チ状に挟んでなるセルをセパレータを介し多層に積層し
てスタックとした構成の燃料電池Ｉを用いた発電装置に
おいて、改質器５、熱交換器７、シフトコンバータ６を
プレート構造とするため、改質器５を、改質用触媒２３
をプレート上に充填して形成した改質室５ａと燃焼用触
媒２４をプレート上に充填して形成した燃焼室５ｂとを
積層した構成のプレート形改質器とし、改質室５ａに改
質原料ガスが供給できるようにし、燃焼室５ｂに空気と
燃料が供給できるようにして、吸熱反応により改質原料
ガスが改質されて改質室５ａから排出され、燃焼室５ｂ
からは排ガスが排出されるようにする。

【００１１】図２は上記プレート形とした改質器５の一
例として、外部マニホールド型について示すもので、プ
レート部材２５上に、改質原料ガスの供給口と改質ガス
の排出口を切欠いたマスク枠２６を周辺に設置すると共
に、相対する両側に上下面に多数の凹凸を連続して形成
した仕切部材２７を一体に取り付け、更に、プレート部
材２５の上面に、マスク枠２６と同じ高さの小円柱状の
スペーサ部材２８を取り付けて、上記仕切部材２７間に
改質用触媒２３を充填して改質室５ａを形成する。同様
に、プレート部材２５の周辺に空気の供給口と排ガス排
出口を切欠いてマスク枠２６を設置して、上記と同様な
仕切部材２７、スペーサ２８を一体に取り付け、更に、
仕切部材２７間のプレート部材２５に多数の分散孔２９
を穿設して、燃焼用触媒２４を充填して燃焼室５ｂを形
成する。又、プレート部材２５上の周辺に、燃料導入口
のみを切欠いたマスク枠２６を取り付けると共に、上記
と同様の仕切部材２７を両側部に設置し、更にスペーサ
２８を設置してなる燃料導入室３０を形成し、上記燃料
導入室３０上に上記燃焼室５ｂを重合し、更に、燃焼室
５ｂの上に改質室５ａを重合し、該改質室５ａの上に上
記燃料導入室３０を重合して、以後、燃焼室５ｂ、改質
室５ａの順に重ね、各室５ａ，５ｂ，３０間を接合して
積層し、上下には上部板３１と下部板３２を重合させ、
各段の改質室５ａの改質原料供給口には、改質原料ガス
供給用マニホールド３３を、又、改質ガス排出口には燃
料ガス排出用マニホールド３４をそれぞれ取り付け、更
に、燃焼室５ｂへの空気供給口には空気供給用マニホー
ルド３５を、燃焼室５ｂの燃焼排ガス出口には燃焼排ガ
ス用マニホールド３６をそれぞれ取り付けると共に、燃
料導入室３０の燃料導入口に燃料導入用マニホールド３
７を取り付けた構成としてある。

【００１２】又、熱交換器７は、高温部７ａと低温部７
ｂを隔離板７ｃを介して積層し、隔離板７ｃを挟んで高
温側流体と低温側流体を流すことにより熱交換させるよ
うにしたもので、一例として、図３に示す如きプレート
フィン型式のものとする。図３に示すプレートフィン熱
交換器は、流体通路に伝熱促進用のフィン３８を有する
高温側流体通路３９と低温側流体通路４０とを交互に積
層し、高温側流体Ｈと低温側流体Ｃとが対向流となるよ
うにしてある。

【００１３】更に、シフトコンバータ６は、シフト反応
触媒４１を充填したシフト反応部６ａに、空気を予熱す
る空気予熱部６ｂと燃料極３からの排ガスを予熱する排
ガス予熱部６ｃとを積層させてシフト反応部６ａでの発
熱反応により生じた熱を下げるようにしてある。

【００１４】上記のようにプレート形とした改質器５、
熱交換器７、シフトコンバータ６を同一パイルに積層し
パッケージ化して容器４２内に収め、改質器５と熱交換
器７とは、改質原料ガスライン４３にて改質室５ａ入口
と低温部７ｂ出口とを接続すると共に、改質室５ｂ出口
と高温部７ａ入口とを燃料ガスライン４４ａにて接続
し、又、熱交換器７とシフトコンバータ６とは、高温部
７ａ出口とシフト反応部６ａ入口とを燃料ガスライン４
４ｂにて接続し、更に、改質器５とシフトコンバータ６
とは、燃焼室５ｂ入口と空気予熱部６ｂ出口とを空気ラ
イン４５にて接続すると共に、燃焼室５ｂ入口と排ガス
予熱部６ｃ出口とを排ガスライン４６にて接続し、上記
シフトコンバータ６のシフト反応部６ａから出た燃料ガ
スを、別置きとした燃料電池Ｉの燃料極３へ供給し、該
燃料極３出口から排出された排ガスをシフトコンバータ
６の排ガス予熱部６ｂへ導入させるようにする。なお、
上記改質器５、熱交換器７、シフトコンバータ６は、作
動温度が異なるため、積層時にこれら各機器間には断熱
材が必要である。

【００１５】図１に示すシステム系統の場合は、改質原
料ガスとして、たとえば、都市ガスＴＧを熱交換器７の
低温部７ｂを通して予熱した後、改質器５の改質室５ａ
に導入し、ここで、吸熱反応により改質し、改質された
燃料ガスＦＧを、熱交換器７の高温部７ａに流して熱交
換によりシフトコンバータ６での運転温度まで下げるよ
うにする。次に、温度を下げられた燃料ガスをシフトコ
ンバータ６のシフト反応部６ａへ導入し、シフト反応に
より燃料ガス中のＣＯを１％以下にして排出し、燃料電
池の燃料極へ供給するようにする。一方、改質器５の燃
焼室５ｂには、シフトコンバータ６の空気予熱部６ｂで
予熱された空気と排ガス予熱部６ｃで予熱された排ガス
を供給し、排ガス中の可燃分を燃焼させ、この燃焼熱で
改質室５ａでの吸熱反応で改質を行わせるようにする。

【００１６】上記において、改質器５、熱交換器７、シ
フトコンバータ６は、いずれもプレート構造のものであ
るため、積層し易く、しかも、積層により上記各構成機
器５，６，７が隣接するため、これら構成機器を接続す
る配管を容易に行わせることが可能となる。

【００１７】次に、図４は本発明の他の実施例を示すも
ので、上記実施例で燃料電池Ｉを別置きとして、プレー
ト構造とした改質器５と熱交換器７とシフトコンバータ
６だけを積層させた構成のものを、燃料電池Ｉも含めて
改質器５等と同一パイル上に積層させ、シフトコンバー
タ６のシフト反応部５ａ出口と燃料電池Ｉの燃料極３入
口とを燃料ガスライン４４ｃで接続し、該燃料極３出口
とシフトコンバータ６の排ガス予熱部６ｃとを接続させ
るようにしたものである。

【００１８】この実施例では、上記４つの構成機器Ｉ，
５，６，７を同一パイル上に積層させるので、各機器間
の配管がより容易になると共に、スペースを有効に利用
できる利点がある。

【００１９】なお、シフトコンバータ６は高温用と低温
用の２つを用意してもよいこと、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。

【００２０】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明の燃料電池発電
装置によれば、改質原料ガスを改質する改質器と、リン
酸型燃料電池の電極に担持させた触媒にとって被毒物質
となる一酸化炭素を１％以下に抑えるためのシフトコン
バータと、改質器の出口温度をシフトコンバータの運転
温度まで下げるための熱交換器とを、いずれもプレート
構造にして、同一パイル状に積層させ、パッケージ化す
るので、全体をコンパクトにできてホテル、病院等への
設置が容易となり、又、各構成機器が隣接するので配管
が容易で、且つ放熱損失も少ない、等の優れた効果を奏
し得られ、更に、上記燃料電池も改質器、熱交換器、シ
フトコンバータ等と同一パイル上に積層させることによ
り更にコンパクト化が図れて有利となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電装置の一実施例を示す概
要図である。

【図２】本発明の燃料電池発電装置で用いるプレート形
改質器の一例を示す一部切断斜視図である。

【図３】本発明の燃料電池発電装置で用いるプレートフ
ィン熱交換器の一例を示す斜視図である。

【図４】本発明の燃料電池発電装置の他の実施例を示す
概要図である。

【図５】従来のリン酸型燃料電池の構成例を示す斜視図
である。

【図６】従来の燃料電池発電システムの一例を示す系統
図である。

【図７】シフトコンバータでの改質ガス出口温度と一酸
化炭素のＶＯＬ％の関係を示す図である。

【符号の説明】

Ｉ燃料電池１電解質板２空気極３燃料極５改質器５ａ改質室５ｂ燃焼室６シフトコンバータ６ａシフト反応部６ｂ空気予熱部６ｃ排ガス予熱部７熱交換器７ａ高温部７ｂ低温部７ｃ隔離板８冷却部２３改質用触媒２４燃焼用触媒４１シフト反応触媒４３改質原料ガスライン（配管）４４ａ，４４ｂ，４４ｃ燃料ガスライン（配管）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水澤実東京都江東区豊洲三丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東二テクニカルセンター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プレート上に改質用触媒を充填して形成
した改質室とプレート上に燃焼用触媒を充填して形成し
た燃焼室を重ね合わせて改質原料ガスを燃料ガスに改質
するプレート形改質器と、シフト反応触媒を充填したシ
フト反応部と該シフト反応部で発生した熱を下げるガス
予熱部を有するプレート形シフトコンバータと、高温流
体が通る高温部と低温流体が通る低温部を隔壁板を介し
交互に積層してなるプレート形熱交換器とを、同一パイ
ル上に積層し、上記改質器の改質室で改質された燃料ガ
スを上記熱交換器を通しシフトコンバータのシフト反応
部へ導くよう配管で接続し、上記シフト反応部を出た燃
料ガスを燃料電池の燃料極入口へ供給するよう構成した
ことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】リン酸水溶液をしみ込ませた電解質板を
空気極と燃料極とで両側から挟み、空気極に空気を、
又、燃料極に燃料ガスをそれぞれ供給できるようにした
セルをセパレータを介し積層してスタックとしてなる燃
料電池を、プレート形の改質器、熱交換器、シフトコン
バータと同一パイル上に積層して一体化させてなる請求
項１記載の燃料電池発電装置。