JP2003031247A - 固体高分子型燃料電池発電システム - Google Patents
固体高分子型燃料電池発電システムInfo
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＰＥＦＣの長期耐久性に悪影響を与える因子
を取り除き、長期間安定して運転できるようにする。 【解決手段】 窒素を含有する原燃料、もしくは、原燃
料と窒素を含有するガスの混合物を改質して水素リッチ
ガスを製造する燃料改質システム１を備え、その燃料改
質システム１で製造された水素リッチガスを燃料として
ＰＥＦＣのセルスタック９で発電するＰＥＦＣ発電シス
テムにおいて、水素リッチガス中のアンモニアを、燃料
改質システム１とＰＥＦＣのセルスタック９の間に設け
られたアンモニア吸収塔２で濃度5ppbに除去した後、Ｐ
ＥＦＣのセルスタック９に供給するようにＰＥＦＣ発電
システムを構成する。
を取り除き、長期間安定して運転できるようにする。 【解決手段】 窒素を含有する原燃料、もしくは、原燃
料と窒素を含有するガスの混合物を改質して水素リッチ
ガスを製造する燃料改質システム１を備え、その燃料改
質システム１で製造された水素リッチガスを燃料として
ＰＥＦＣのセルスタック９で発電するＰＥＦＣ発電シス
テムにおいて、水素リッチガス中のアンモニアを、燃料
改質システム１とＰＥＦＣのセルスタック９の間に設け
られたアンモニア吸収塔２で濃度5ppbに除去した後、Ｐ
ＥＦＣのセルスタック９に供給するようにＰＥＦＣ発電
システムを構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池（ＰＥＦＣ）発電システムに関し、より詳細には、
窒素を含有する原燃料、もしくは原燃料と窒素を含有す
るガスの混合物を改質して水素リッチガスを製造し、そ
の水素リッチガスを燃料として動作する固体高分子型燃
料電池発電システムに関する。
電池（ＰＥＦＣ）発電システムに関し、より詳細には、
窒素を含有する原燃料、もしくは原燃料と窒素を含有す
るガスの混合物を改質して水素リッチガスを製造し、そ
の水素リッチガスを燃料として動作する固体高分子型燃
料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】家庭用発電システムなどとして期待され
ている固体高分子型燃料電池発電システムは、４万時間
〜９万時間の耐久性が要求される。ところが、炭化水素
などの原燃料を改質した水素リッチガスを燃料とする固
体高分子型燃料電池発電システムにおいては、改質ガス
を燃料とした場合には、１万時間の耐久性さえ確保でき
ていないのが現状である。
ている固体高分子型燃料電池発電システムは、４万時間
〜９万時間の耐久性が要求される。ところが、炭化水素
などの原燃料を改質した水素リッチガスを燃料とする固
体高分子型燃料電池発電システムにおいては、改質ガス
を燃料とした場合には、１万時間の耐久性さえ確保でき
ていないのが現状である。
【０００３】そこで、従来、固体高分子型燃料電池（Ｐ
ＥＦＣ）の劣化の原因として、改質ガス中のＣＯによる
被毒が注目され、耐ＣＯ性の電極触媒の開発などが活発
に行われてきた。
ＥＦＣ）の劣化の原因として、改質ガス中のＣＯによる
被毒が注目され、耐ＣＯ性の電極触媒の開発などが活発
に行われてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、長期耐
久性に影響を与える要因については、これまで知見がな
かった。一方、原燃料中に窒素が含まれていると、改質
触媒上で生成した水素と窒素が反応し、アンモニアが生
成することがある。アンモニアなどプロトンと結合して
陽イオンとなるアルカリ性物質は、プロトン導電性の電
解質を用いるリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）やＰＥＦＣ
では、プロトンをトラップして電解質中の電気伝導度を
低下させる被毒物質となりうる。しかし、ＰＡＦＣで
は、液化天然ガス（ＬＮＧ）から製造される日本の都市
ガス中に通常含まれる窒素から生成すると思われる0.1p
pm程度のアンモニアが改質ガス中に含まれていても、４
万時間程度の運転中に顕著な劣化を示さないことがわか
っている。このため、ＰＥＦＣにおいても、アンモニア
の影響は同程度のものであると考えられてきた。
久性に影響を与える要因については、これまで知見がな
かった。一方、原燃料中に窒素が含まれていると、改質
触媒上で生成した水素と窒素が反応し、アンモニアが生
成することがある。アンモニアなどプロトンと結合して
陽イオンとなるアルカリ性物質は、プロトン導電性の電
解質を用いるリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）やＰＥＦＣ
では、プロトンをトラップして電解質中の電気伝導度を
低下させる被毒物質となりうる。しかし、ＰＡＦＣで
は、液化天然ガス（ＬＮＧ）から製造される日本の都市
ガス中に通常含まれる窒素から生成すると思われる0.1p
pm程度のアンモニアが改質ガス中に含まれていても、４
万時間程度の運転中に顕著な劣化を示さないことがわか
っている。このため、ＰＥＦＣにおいても、アンモニア
の影響は同程度のものであると考えられてきた。
【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、請求項１に係る発明は、ＰＥＦＣの長
期耐久性に悪影響を与える因子を取り除き、長期間安定
して運転できるＰＥＦＣ発電システムを提供することを
目的とし、請求項２に係る発明は、さらに長期間安定し
て運転できるようにすることを目的とし、請求項３に係
る発明は、アンモニアを吸収しやすくできるようにする
ことを目的とし、請求項４に係る発明は、簡単な構成
で、容易にアンモニアを除去することができるようにす
ることを目的とし、請求項５に係る発明は、安価な構成
でアンモニアが除去できるようにすることを目的とし、
請求項６に係る発明は、水蒸気が凝縮して閉塞するトラ
ブルを防止できるようにすることを目的とし、請求項７
に係る発明は、安定した改質が同時にできるようにする
ことを目的とし、請求項８に係る発明は、アンモニアの
負荷を極めて小さくできるようにすることを目的とす
る。
たものであって、請求項１に係る発明は、ＰＥＦＣの長
期耐久性に悪影響を与える因子を取り除き、長期間安定
して運転できるＰＥＦＣ発電システムを提供することを
目的とし、請求項２に係る発明は、さらに長期間安定し
て運転できるようにすることを目的とし、請求項３に係
る発明は、アンモニアを吸収しやすくできるようにする
ことを目的とし、請求項４に係る発明は、簡単な構成
で、容易にアンモニアを除去することができるようにす
ることを目的とし、請求項５に係る発明は、安価な構成
でアンモニアが除去できるようにすることを目的とし、
請求項６に係る発明は、水蒸気が凝縮して閉塞するトラ
ブルを防止できるようにすることを目的とし、請求項７
に係る発明は、安定した改質が同時にできるようにする
ことを目的とし、請求項８に係る発明は、アンモニアの
負荷を極めて小さくできるようにすることを目的とす
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の問
題に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、改質ガス中に含まれ
るサブppm の極微量のアンモニアがＰＥＦＣを不可逆的
に劣化させることを明らかにした。また、ＰＥＦＣの場
合、ppm オーダーのアンモニアが共存すると、ＰＡＦＣ
の場合とは違って、数十時間で致命的な劣化を招くこと
を見出した。また、アンモニアの共存を中断すると、一
時的には、性能がある程度回復するが、アンモニアが高
分子膜にトラップされ、不可逆的な電圧低下が残ること
を見出した。更に、高分子膜のイオン交換容量とアンモ
ニアによる影響の定量的な関係を検討して、本発明を完
成させた。
題に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、改質ガス中に含まれ
るサブppm の極微量のアンモニアがＰＥＦＣを不可逆的
に劣化させることを明らかにした。また、ＰＥＦＣの場
合、ppm オーダーのアンモニアが共存すると、ＰＡＦＣ
の場合とは違って、数十時間で致命的な劣化を招くこと
を見出した。また、アンモニアの共存を中断すると、一
時的には、性能がある程度回復するが、アンモニアが高
分子膜にトラップされ、不可逆的な電圧低下が残ること
を見出した。更に、高分子膜のイオン交換容量とアンモ
ニアによる影響の定量的な関係を検討して、本発明を完
成させた。
【０００７】すなわち、請求項１に係る発明は、窒素を
含有する原燃料、もしくは原燃料と窒素を含有するガス
の混合物を改質して水素リッチガスを製造する燃料改質
システムを備え、その燃料改質システムで製造された水
素リッチガスを燃料としてＰＥＦＣで発電するＰＥＦＣ
発電システムであって、アンモニア除去器により、水素
リッチガス中のアンモニアを濃度5ppb以下に除去した
後、ＰＥＦＣに供給することを特徴としている。
含有する原燃料、もしくは原燃料と窒素を含有するガス
の混合物を改質して水素リッチガスを製造する燃料改質
システムを備え、その燃料改質システムで製造された水
素リッチガスを燃料としてＰＥＦＣで発電するＰＥＦＣ
発電システムであって、アンモニア除去器により、水素
リッチガス中のアンモニアを濃度5ppb以下に除去した
後、ＰＥＦＣに供給することを特徴としている。
【０００８】請求項１に係る発明では、窒素を含有する
原燃料、もしくは原燃料と窒素を含有するガスの混合物
を改質して水素リッチガスを製造する燃料改質システム
を備える。ここで、「窒素を含有する」とは、窒素の形
態にかかわらず、原燃料、あるいは、原燃料と他のガス
の混合物中に窒素が分子換算で1ppm以上含まれているこ
とをいう。これは、原燃料中に分子として1ppmの窒素が
含まれている場合に、水素リッチガス中のアンモニア濃
度が5ppb以上となることがあるからである。本発明で用
いる燃料改質システムおよびＰＥＦＣは、それぞれ原燃
料を改質して水素リッチガスを製造できる燃料改質シス
テム、および、水素リッチガスを燃料として発電できる
限り、特に制限はないが、それらの構成により、好適な
アンモニア除去器は異なる場合がある。
原燃料、もしくは原燃料と窒素を含有するガスの混合物
を改質して水素リッチガスを製造する燃料改質システム
を備える。ここで、「窒素を含有する」とは、窒素の形
態にかかわらず、原燃料、あるいは、原燃料と他のガス
の混合物中に窒素が分子換算で1ppm以上含まれているこ
とをいう。これは、原燃料中に分子として1ppmの窒素が
含まれている場合に、水素リッチガス中のアンモニア濃
度が5ppb以上となることがあるからである。本発明で用
いる燃料改質システムおよびＰＥＦＣは、それぞれ原燃
料を改質して水素リッチガスを製造できる燃料改質シス
テム、および、水素リッチガスを燃料として発電できる
限り、特に制限はないが、それらの構成により、好適な
アンモニア除去器は異なる場合がある。
【０００９】また、請求項２に係る発明は、請求項１に
記載のＰＥＦＣ発電システムにおいて、アンモニア除去
器により、水素リッチガス中のアンモニアを濃度0.5ppb
以下に除去した後、ＰＥＦＣに供給するように構成す
る。濃度0.5ppb以下まで除去することにより、９万時間
以上、すなわち、１０年以上の長期耐久性を確保できる
からである。
記載のＰＥＦＣ発電システムにおいて、アンモニア除去
器により、水素リッチガス中のアンモニアを濃度0.5ppb
以下に除去した後、ＰＥＦＣに供給するように構成す
る。濃度0.5ppb以下まで除去することにより、９万時間
以上、すなわち、１０年以上の長期耐久性を確保できる
からである。
【００１０】上述発明では、水素リッチガス中のアンモ
ニアをアンモニア除去器によって除去し、アンモニア除
去後の水素リッチガス中のアンモニア濃度を5ppb以下、
好ましくは、0.5ppb以下とする。アンモニア除去器は、
アンモニア濃度を5ppb以下、好ましくは、0.5ppb以下と
することができる限り、特に制限はないが、アンモニア
除去器から、本来水素リッチガスに含まれない第三の物
質が飛散するようなことがないものが好ましい。
ニアをアンモニア除去器によって除去し、アンモニア除
去後の水素リッチガス中のアンモニア濃度を5ppb以下、
好ましくは、0.5ppb以下とする。アンモニア除去器は、
アンモニア濃度を5ppb以下、好ましくは、0.5ppb以下と
することができる限り、特に制限はないが、アンモニア
除去器から、本来水素リッチガスに含まれない第三の物
質が飛散するようなことがないものが好ましい。
【００１１】このようなアンモニア除去器としては、水
素リッチガスと水とを接触させ、水素リッチガス中のア
ンモニアをＣＯ2 と同時に水中に溶解させて除去するも
のが好ましい（請求項３）。炭化水素やアルコールなど
を改質して得られる水素リッチガスには、ＣＯ2 が含ま
れている。ＣＯ2 は水に溶解し、酸性を呈するので、ア
ンモニアを吸収するのに有利になる。
素リッチガスと水とを接触させ、水素リッチガス中のア
ンモニアをＣＯ2 と同時に水中に溶解させて除去するも
のが好ましい（請求項３）。炭化水素やアルコールなど
を改質して得られる水素リッチガスには、ＣＯ2 が含ま
れている。ＣＯ2 は水に溶解し、酸性を呈するので、ア
ンモニアを吸収するのに有利になる。
【００１２】このようなシステムで、アンモニア除去器
の出口ガス中のアンモニア濃度を5ppb以下、好ましく
は、0.5ppb以下とするには、水中のアンモニア濃度と平
衡となるガス中のアンモニア濃度に関する以下の関係か
ら基本的な設計を行えばよい。
の出口ガス中のアンモニア濃度を5ppb以下、好ましく
は、0.5ppb以下とするには、水中のアンモニア濃度と平
衡となるガス中のアンモニア濃度に関する以下の関係か
ら基本的な設計を行えばよい。
【００１３】
【数１】
【００１４】それぞれの平衡の平衡定数をＫ1 、Ｋ2 、
Ｋ3 、Ｋ4 と表すと、 Ｋ1 ＝［Ｈ2 ＣＯ3 ］／ＰCO2 ［Ｈ2 Ｏ］ ……（５） Ｋ2 ＝［Ｈ+ ］［ＨＣＯ3 - ］／［Ｈ2 ＣＯ3 ］ ……（６） Ｋ3 ＝［ＮＨ4 ＯＨ］／ＰNH3 ［Ｈ2 Ｏ］ ……（７） Ｋ4 ＝［ＮＨ4 + ］［ＯＨ- ］／［ＮＨ4 ＯＨ］ ……（８） となる。
Ｋ3 、Ｋ4 と表すと、 Ｋ1 ＝［Ｈ2 ＣＯ3 ］／ＰCO2 ［Ｈ2 Ｏ］ ……（５） Ｋ2 ＝［Ｈ+ ］［ＨＣＯ3 - ］／［Ｈ2 ＣＯ3 ］ ……（６） Ｋ3 ＝［ＮＨ4 ＯＨ］／ＰNH3 ［Ｈ2 Ｏ］ ……（７） Ｋ4 ＝［ＮＨ4 + ］［ＯＨ- ］／［ＮＨ4 ＯＨ］ ……（８） となる。
【００１５】（６）式および（８）式より、
【数２】
ここで、水中に溶解する全アンモニアの濃度をＣNH3 と
し、解離度をαとすると、（９）式では、［ＮＨ4 + ］
＝［ＨＣＯ3 - ］となるので、
し、解離度をαとすると、（９）式では、［ＮＨ4 + ］
＝［ＨＣＯ3 - ］となるので、
【数３】
【００１６】（５）〜（９’）式をまとめると、
【数４】
【００１７】ＣＯ2 はアンモニアに比べると遙に量が大
きいので、αは限りなく１に近い数字となる。また、ガ
ス中のＣＯ2 のうち、水中に溶解する量は無視しうるの
で、ＰCO2 はほぼ一定となる。一方、ＣNH3 は、アンモ
ニア除去器の入口ガスの全圧Ｐ* 、流量Ｆｇ（mol ／mi
n ）、アンモニア分圧Ｐ* NH3 と、アンモニア除去器か
ら排出される水の流量Ｆｗ（ l／min ）から計算でき、
きいので、αは限りなく１に近い数字となる。また、ガ
ス中のＣＯ2 のうち、水中に溶解する量は無視しうるの
で、ＰCO2 はほぼ一定となる。一方、ＣNH3 は、アンモ
ニア除去器の入口ガスの全圧Ｐ* 、流量Ｆｇ（mol ／mi
n ）、アンモニア分圧Ｐ* NH3 と、アンモニア除去器か
ら排出される水の流量Ｆｗ（ l／min ）から計算でき、
【数５】
となる。すなわち、アンモニア除去器の出口ガス中のア
ンモニア濃度は、
ンモニア濃度は、
【数６】
から計算できる。Ｋ1 〜Ｋ4 は温度に依存した定数であ
り、Ｆｇ、ＰCO2 およびＰ* は燃料改質システムの設計
条件で与えられる数字であり、Ｐ* NH3 はその設計条件
で運転した結果、水素リッチガス中に含まれるアンモニ
アの濃度であるので、結局、ＰNH3 をコントロールする
には、水の流量Ｆｗと温度がパラメーターとなる。すな
わち、（１２）式から計算されるアンモニア除去器の出
口ガス中のアンモニア濃度が5ppb以下、好ましくは0.5p
pb以下となるように、水の流量Ｆｗと温度とを設計すれ
ばよい。
り、Ｆｇ、ＰCO2 およびＰ* は燃料改質システムの設計
条件で与えられる数字であり、Ｐ* NH3 はその設計条件
で運転した結果、水素リッチガス中に含まれるアンモニ
アの濃度であるので、結局、ＰNH3 をコントロールする
には、水の流量Ｆｗと温度がパラメーターとなる。すな
わち、（１２）式から計算されるアンモニア除去器の出
口ガス中のアンモニア濃度が5ppb以下、好ましくは0.5p
pb以下となるように、水の流量Ｆｗと温度とを設計すれ
ばよい。
【００１８】上記の計算は、ガスと水を平行流で接触さ
せることを想定したものであるが、ガスと水の接触のさ
せ方は、その接触面積と接触時間が十分に大きく保たれ
る限り、特に制限は無く、ラシヒリング等を充填した塔
内に水を降らせる水洗塔や、水タンクの中にガスを通す
バブリング装置などでもよい。装置の具体的な設計にあ
たっては、通常の吸収塔などの設計理論を用いればよ
い。ガスと水を対向流で接触させる場合には、同じ水の
流量Ｆｗでさらに出口ガス中のアンモニア濃度を低減す
ることができる。いずれの場合でも、アンモニア除去器
には、アンモニアを実質的に含まない水を供給し、アン
モニアを含んだ水を、上記に従って設計したＦｗ以上の
流量で抜き出す必要がある。
せることを想定したものであるが、ガスと水の接触のさ
せ方は、その接触面積と接触時間が十分に大きく保たれ
る限り、特に制限は無く、ラシヒリング等を充填した塔
内に水を降らせる水洗塔や、水タンクの中にガスを通す
バブリング装置などでもよい。装置の具体的な設計にあ
たっては、通常の吸収塔などの設計理論を用いればよ
い。ガスと水を対向流で接触させる場合には、同じ水の
流量Ｆｗでさらに出口ガス中のアンモニア濃度を低減す
ることができる。いずれの場合でも、アンモニア除去器
には、アンモニアを実質的に含まない水を供給し、アン
モニアを含んだ水を、上記に従って設計したＦｗ以上の
流量で抜き出す必要がある。
【００１９】このようにしてアンモニアを吸収する水と
しては、純水を用いることが好ましいが、アンモニアを
吸収した水を廃棄するのは経済的ではない。そこで、ア
ンモニアを吸収した水からアンモニアを除去し、アンモ
ニア除去器で再利用することが好ましい。
しては、純水を用いることが好ましいが、アンモニアを
吸収した水を廃棄するのは経済的ではない。そこで、ア
ンモニアを吸収した水からアンモニアを除去し、アンモ
ニア除去器で再利用することが好ましい。
【００２０】すなわち、アンモニア除去器を、水素リッ
チガスと水とを接触させる吸収部と、アンモニアを溶解
した水からイオン交換樹脂でアンモニアを除去する再生
部とから構成し、前記吸収部と前記再生部との間で水を
循環させるように構成する（請求項４）。この構成によ
れば、水素リッチガスを製造する燃料改質システムとＰ
ＥＦＣの間にアンモニア除去器を設置することにより、
容易にアンモニアを除去することができる。
チガスと水とを接触させる吸収部と、アンモニアを溶解
した水からイオン交換樹脂でアンモニアを除去する再生
部とから構成し、前記吸収部と前記再生部との間で水を
循環させるように構成する（請求項４）。この構成によ
れば、水素リッチガスを製造する燃料改質システムとＰ
ＥＦＣの間にアンモニア除去器を設置することにより、
容易にアンモニアを除去することができる。
【００２１】ＰＥＦＣに供給する燃料ガスを加湿する必
要がある場合には、燃料改質システムとＰＥＦＣの間に
加湿器が設置されるが、そのような場合には、水素リッ
チガスを加湿する加湿器をアンモニア除去器として兼用
する（請求項５）。すなわち、加湿器では、水素リッチ
ガスと純水を接触させ、水を蒸発させて水素リッチガス
を加湿させるが、通常、純水中の微量不純物の析出を防
ぐため、全量を蒸発させることはないので、蒸発しなか
った水は加湿器から排出させることになる。したがっ
て、この排出量を、上記設計の水の流量Ｆｗとすること
により、加湿器をアンモニア除去器として用いることが
できる。排出したアンモニアを含む水は、廃棄してもよ
いが、陽イオン交換樹脂を通して再生利用してもよい。
この構成によれば、アンモニア除去器として新たに装置
を追加することなくアンモニアが除去できるので経済的
である。
要がある場合には、燃料改質システムとＰＥＦＣの間に
加湿器が設置されるが、そのような場合には、水素リッ
チガスを加湿する加湿器をアンモニア除去器として兼用
する（請求項５）。すなわち、加湿器では、水素リッチ
ガスと純水を接触させ、水を蒸発させて水素リッチガス
を加湿させるが、通常、純水中の微量不純物の析出を防
ぐため、全量を蒸発させることはないので、蒸発しなか
った水は加湿器から排出させることになる。したがっ
て、この排出量を、上記設計の水の流量Ｆｗとすること
により、加湿器をアンモニア除去器として用いることが
できる。排出したアンモニアを含む水は、廃棄してもよ
いが、陽イオン交換樹脂を通して再生利用してもよい。
この構成によれば、アンモニア除去器として新たに装置
を追加することなくアンモニアが除去できるので経済的
である。
【００２２】ＰＥＦＣに供給する燃料ガスを加湿する必
要がない場合には、逆に、燃料改質システムの中か、後
段で、改質ガスに含まれている過剰の水蒸気を凝縮分離
する手段を設置することにより、凝縮水中にアンモニア
を溶解することができる。すなわち、アンモニア除去器
を、水素リッチガスを冷却することにより水素リッチガ
ス中に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水中に水素リッ
チガス中のアンモニアをＣＯ2 と同時に水中に溶解させ
て除去するように構成する（請求項６）。この場合は、
凝縮水の生成量が（１２）式の水の流量Ｆｗとなるの
で、この水の流量Ｆｗを変えるには、凝縮の温度を変え
る必要がある。この構成によれば、過剰の水蒸気を凝縮
分離することができるので、改質ガスのライン上に水蒸
気が凝縮して閉塞するトラブルを防止することができ
る。
要がない場合には、逆に、燃料改質システムの中か、後
段で、改質ガスに含まれている過剰の水蒸気を凝縮分離
する手段を設置することにより、凝縮水中にアンモニア
を溶解することができる。すなわち、アンモニア除去器
を、水素リッチガスを冷却することにより水素リッチガ
ス中に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水中に水素リッ
チガス中のアンモニアをＣＯ2 と同時に水中に溶解させ
て除去するように構成する（請求項６）。この場合は、
凝縮水の生成量が（１２）式の水の流量Ｆｗとなるの
で、この水の流量Ｆｗを変えるには、凝縮の温度を変え
る必要がある。この構成によれば、過剰の水蒸気を凝縮
分離することができるので、改質ガスのライン上に水蒸
気が凝縮して閉塞するトラブルを防止することができ
る。
【００２３】燃料改質システムが、改質触媒の共存下水
蒸気および／または空気と反応させて改質ガスを生成す
る改質反応器と、その改質反応器で生成された改質ガス
中のＣＯをＣＯ選択酸化触媒の共存下で酸素で選択的に
酸化することによりＣＯ2 に変換するＣＯ選択酸化反応
器とを少なくとも含む、水素リッチガスを製造する燃料
改質システムである場合には、前記ＣＯ選択酸化反応器
に供給する前に改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮分離
させる水蒸気凝縮分離手段を設置し、この水蒸気凝縮分
離手段をアンモニア除去器として兼用する（請求項
７）。ＣＯ選択酸化反応器に供給する前に改質ガス中に
含まれる水蒸気を凝縮分離させることにより、ＣＯ選択
酸化反応を長期間安定して進めることができる。上記構
成による場合も、凝縮水の生成量が、アンモニアの除去
に必要な上記設計の水の流量Ｆｗとなるように凝縮温度
を設定する必要がある。この構成によれば、アンモニア
除去器として新たに装置を追加することなくアンモニア
が除去できるので経済的である。
蒸気および／または空気と反応させて改質ガスを生成す
る改質反応器と、その改質反応器で生成された改質ガス
中のＣＯをＣＯ選択酸化触媒の共存下で酸素で選択的に
酸化することによりＣＯ2 に変換するＣＯ選択酸化反応
器とを少なくとも含む、水素リッチガスを製造する燃料
改質システムである場合には、前記ＣＯ選択酸化反応器
に供給する前に改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮分離
させる水蒸気凝縮分離手段を設置し、この水蒸気凝縮分
離手段をアンモニア除去器として兼用する（請求項
７）。ＣＯ選択酸化反応器に供給する前に改質ガス中に
含まれる水蒸気を凝縮分離させることにより、ＣＯ選択
酸化反応を長期間安定して進めることができる。上記構
成による場合も、凝縮水の生成量が、アンモニアの除去
に必要な上記設計の水の流量Ｆｗとなるように凝縮温度
を設定する必要がある。この構成によれば、アンモニア
除去器として新たに装置を追加することなくアンモニア
が除去できるので経済的である。
【００２４】更に、ＰＥＦＣに供給する燃料ガスを加湿
する必要がある場合、ＣＯ選択酸化反応を長期間安定し
て進めるため、上記ＣＯ選択酸化反応器に供給する前に
改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮分離させる水蒸気凝
縮分離手段を設置するとともに、燃料改質システムとＰ
ＥＦＣの間に加湿器を設置し、その併用によってアンモ
ニアを除去する（請求項８）。この構成による場合、水
蒸気を凝縮分離させる水蒸気凝縮分離手段では、厳密に
水の流量Ｆｗを規定する必要はない。また、加湿器にお
いても、加湿器に入る水素リッチガス中のアンモニア濃
度は、水蒸気の凝縮分離により、大幅に低減されている
ので、アンモニアの除去負荷は極めて小さくなる。この
構成は、水蒸気の凝縮温度をあまり下げられない場合や
加湿器での水の循環量を多くとれない場合に好適であ
る。
する必要がある場合、ＣＯ選択酸化反応を長期間安定し
て進めるため、上記ＣＯ選択酸化反応器に供給する前に
改質ガス中に含まれる水蒸気を凝縮分離させる水蒸気凝
縮分離手段を設置するとともに、燃料改質システムとＰ
ＥＦＣの間に加湿器を設置し、その併用によってアンモ
ニアを除去する（請求項８）。この構成による場合、水
蒸気を凝縮分離させる水蒸気凝縮分離手段では、厳密に
水の流量Ｆｗを規定する必要はない。また、加湿器にお
いても、加湿器に入る水素リッチガス中のアンモニア濃
度は、水蒸気の凝縮分離により、大幅に低減されている
ので、アンモニアの除去負荷は極めて小さくなる。この
構成は、水蒸気の凝縮温度をあまり下げられない場合や
加湿器での水の循環量を多くとれない場合に好適であ
る。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、参考例、実施例、比較例を
用いて本発明を詳細に説明するが、本発明は実施例に限
定されるものではない。
用いて本発明を詳細に説明するが、本発明は実施例に限
定されるものではない。
【００２６】参考例１
水素を燃料として、安定して700mV で運転できている外
部加湿式のＰＥＦＣセルにおいて、加湿後の水素ガスに
アンモニアを3.2ppmとなるように加えたところ、直ちに
電圧が低下し始め、電圧低下が止まらずに約70時間後、
低電圧のリミットに達したのでアンモニアの供給を停止
した。電圧は675mV まで回復したが、その後 100時間純
水素での運転を続けても、電圧の回復傾向は見られず、
不可逆的な劣化が起こっていると考えられる。
部加湿式のＰＥＦＣセルにおいて、加湿後の水素ガスに
アンモニアを3.2ppmとなるように加えたところ、直ちに
電圧が低下し始め、電圧低下が止まらずに約70時間後、
低電圧のリミットに達したのでアンモニアの供給を停止
した。電圧は675mV まで回復したが、その後 100時間純
水素での運転を続けても、電圧の回復傾向は見られず、
不可逆的な劣化が起こっていると考えられる。
【００２７】実施例１
図１は、本発明に係る固体高分子型燃料電池発電システ
ムの実施例に用いるアンモニア除去器の構成を示すブロ
ック図である。燃料改質システム１にアンモニアを除去
するアンモニア吸収塔２が接続されている。
ムの実施例に用いるアンモニア除去器の構成を示すブロ
ック図である。燃料改質システム１にアンモニアを除去
するアンモニア吸収塔２が接続されている。
【００２８】アンモニア吸収塔２には、排出配管３を介
して純水タンク４が接続され、その純水タンク４とアン
モニア吸収塔２の上部に設けたノズル５とが、循環ポン
プ６と再生部としての陽イオン交換樹脂７とを介装した
循環配管８を介して接続されている。
して純水タンク４が接続され、その純水タンク４とアン
モニア吸収塔２の上部に設けたノズル５とが、循環ポン
プ６と再生部としての陽イオン交換樹脂７とを介装した
循環配管８を介して接続されている。
【００２９】上記構成により、燃料改質システム１から
アンモニア吸収塔２に供給される改質ガスである、アン
モニアを含有する水素リッチガスにノズル５から純水を
散布し、改質ガス中のアンモニアを純水にＣＯ2 と同時
に溶解させるようになっている。
アンモニア吸収塔２に供給される改質ガスである、アン
モニアを含有する水素リッチガスにノズル５から純水を
散布し、改質ガス中のアンモニアを純水にＣＯ2 と同時
に溶解させるようになっている。
【００３０】アンモニア吸収塔２の上側と、ＰＥＦＣの
セルスタック９とがガス配管１０を介して接続され、ア
ンモニアを除去した精製水素リッチガスをセルスタック
９に供給できるようになっている。
セルスタック９とがガス配管１０を介して接続され、ア
ンモニアを除去した精製水素リッチガスをセルスタック
９に供給できるようになっている。
【００３１】排出配管３に、電磁操作型の第１の開閉弁
１１が設けられ、一方、アンモニア吸収塔２の下方側に
第１の連通管１２が設けられるとともに、その第１の連
通管１２に液面センサ１３が設けられ、液面センサ１３
と第１の開閉弁１１が連係され、アンモニア吸収塔２の
下部に溜まる水量が一定に維持されるように構成されて
いる。
１１が設けられ、一方、アンモニア吸収塔２の下方側に
第１の連通管１２が設けられるとともに、その第１の連
通管１２に液面センサ１３が設けられ、液面センサ１３
と第１の開閉弁１１が連係され、アンモニア吸収塔２の
下部に溜まる水量が一定に維持されるように構成されて
いる。
【００３２】純水タンク４に、電磁操作型の第２の開閉
弁１４を介装した純水補給管１５と、電磁操作型の第３
の開閉弁１６を介装した排水管１７とが接続され、更
に、純水タンク４の側壁に第２の連通管１８が設けられ
るとともに、その第２の連通管１８に第２の液面センサ
１９が設けられ、第２の液面センサ１９と第２および第
３の開閉弁１４，１６が連係され、水素リッチガスの露
点とアンモニア吸収塔２の運転温度が異なることに起因
する循環水量の過不足発生を防止できるように構成され
ている。
弁１４を介装した純水補給管１５と、電磁操作型の第３
の開閉弁１６を介装した排水管１７とが接続され、更
に、純水タンク４の側壁に第２の連通管１８が設けられ
るとともに、その第２の連通管１８に第２の液面センサ
１９が設けられ、第２の液面センサ１９と第２および第
３の開閉弁１４，１６が連係され、水素リッチガスの露
点とアンモニア吸収塔２の運転温度が異なることに起因
する循環水量の過不足発生を防止できるように構成され
ている。
【００３３】上記構成のアンモニア除去器を、天然ガス
を水蒸気改質して水素リッチガスを製造する燃料改質シ
ステム１と外部加湿式ＰＥＦＣのセルスタック９との間
に設置してＰＥＦＣ発電システムを構成した。
を水蒸気改質して水素リッチガスを製造する燃料改質シ
ステム１と外部加湿式ＰＥＦＣのセルスタック９との間
に設置してＰＥＦＣ発電システムを構成した。
【００３４】このＰＥＦＣ発電システムにおいて、窒素
を１％含有する天然ガスをＳ／Ｃ＝3.0で水蒸気改質
し、水素リッチガスを得た。この水素リッチガス中のア
ンモニア濃度を分析したところ、1.2ppmのアンモニアが
含まれていた。このアンモニアを含む水素リッチガスを
流量約 20l/minでアンモニア除去器に供給した。
を１％含有する天然ガスをＳ／Ｃ＝3.0で水蒸気改質
し、水素リッチガスを得た。この水素リッチガス中のア
ンモニア濃度を分析したところ、1.2ppmのアンモニアが
含まれていた。このアンモニアを含む水素リッチガスを
流量約 20l/minでアンモニア除去器に供給した。
【００３５】アンモニア吸収塔２での運転速度を、水素
リッチガスの露点にほぼ等しい60℃に設定し、循環水量
は100ml/min とした。アンモニア吸収塔２の中には、メ
ッシュリングを充填し、接触面積を増やした。再生部に
は、陽イオン交換樹脂７を100ml 充填した。この結果、
アンモニア除去器を出た精製水素リッチガス中のアンモ
ニア濃度は、0.5ppb以下となっていた。
リッチガスの露点にほぼ等しい60℃に設定し、循環水量
は100ml/min とした。アンモニア吸収塔２の中には、メ
ッシュリングを充填し、接触面積を増やした。再生部に
は、陽イオン交換樹脂７を100ml 充填した。この結果、
アンモニア除去器を出た精製水素リッチガス中のアンモ
ニア濃度は、0.5ppb以下となっていた。
【００３６】アンモニア除去器を出た精製水素リッチガ
スを、セルスタック９のアノードに導入した。セルスタ
ックは外部加湿式で、運転温度約65℃に対し、約60℃の
加湿が必要であるが、水素リッチガスの露点がほぼ等し
いため、そのまま発電に供することができた。発電試験
を継続した結果、単セル電圧として、初期に十数mVの電
圧の低下があったが、1000時間にわたって、700mV を保
ち、安定した発電ができた。
スを、セルスタック９のアノードに導入した。セルスタ
ックは外部加湿式で、運転温度約65℃に対し、約60℃の
加湿が必要であるが、水素リッチガスの露点がほぼ等し
いため、そのまま発電に供することができた。発電試験
を継続した結果、単セル電圧として、初期に十数mVの電
圧の低下があったが、1000時間にわたって、700mV を保
ち、安定した発電ができた。
【００３７】比較例１
上記実施例１において、アンモニア除去器を設置せず、
燃料改質システムで精製した水素リッチガスを直接セル
スタックに供給する以外は、実施例１と同様に発電試験
を行った。その結果、発電当初から単セル電圧が700mV
を切り、 100時間以内に500mV まで低下したので、発電
を中止せざるを得なかった。
燃料改質システムで精製した水素リッチガスを直接セル
スタックに供給する以外は、実施例１と同様に発電試験
を行った。その結果、発電当初から単セル電圧が700mV
を切り、 100時間以内に500mV まで低下したので、発電
を中止せざるを得なかった。
【００３８】比較例２
比較例１において、天然ガス中の窒素濃度を 0.1％とす
る以外は、比較例１と同様にして発電試験を行った。そ
の結果、発電当初は単セル電圧が700mV を越えていた
が、 500時間後には、620mV まで低下し、電圧低下が飽
和する傾向は認められなかった。
る以外は、比較例１と同様にして発電試験を行った。そ
の結果、発電当初は単セル電圧が700mV を越えていた
が、 500時間後には、620mV まで低下し、電圧低下が飽
和する傾向は認められなかった。
【００３９】実施例２
図２は、本発明に係る固体高分子型燃料電池発電システ
ムの実施例２の構成を示すブロック図であり、実施例１
と異なるところは次の通りである。この実施例２では、
実施例１で用いた燃料改質システムを用いることを前提
とし、約75℃で運転する外部加湿式セルスタックを用い
て構成される。アンモニア吸収塔２に代えてバブリング
槽２１が用いられ、アンモニアを含有する水素リッチガ
スをバブリング槽２１の純水中にバブリングさせ、純水
をガス中に蒸発させるとともに、ガス中のアンモニアと
ＣＯ2 とを同時に純水中に溶解して吸収させるようにな
っている。
ムの実施例２の構成を示すブロック図であり、実施例１
と異なるところは次の通りである。この実施例２では、
実施例１で用いた燃料改質システムを用いることを前提
とし、約75℃で運転する外部加湿式セルスタックを用い
て構成される。アンモニア吸収塔２に代えてバブリング
槽２１が用いられ、アンモニアを含有する水素リッチガ
スをバブリング槽２１の純水中にバブリングさせ、純水
をガス中に蒸発させるとともに、ガス中のアンモニアと
ＣＯ2 とを同時に純水中に溶解して吸収させるようにな
っている。
【００４０】セルスタック９と純水タンク４とにわたっ
て、冷却用循環ポンプ２２を介装した冷却用循環配管２
３が設けられ、純水タンク４がセルスタック９の冷却水
タンクに兼用構成されている。更に、純水タンク４に空
気系排ガスの配管２４が接続され、純水タンク４が、空
気系排ガスからドレンを回収するドレントラップに兼用
構成されている。他の構成は実施例１と同じであり、同
一図番を付すことによりその説明は省略する。
て、冷却用循環ポンプ２２を介装した冷却用循環配管２
３が設けられ、純水タンク４がセルスタック９の冷却水
タンクに兼用構成されている。更に、純水タンク４に空
気系排ガスの配管２４が接続され、純水タンク４が、空
気系排ガスからドレンを回収するドレントラップに兼用
構成されている。他の構成は実施例１と同じであり、同
一図番を付すことによりその説明は省略する。
【００４１】この実施例２の構成によれば、アノードガ
スを加湿するアノードガス加湿器とアンモニア除去器と
が兼用構成され、構成が簡略化できている。また、バブ
リング槽２１内の純水の温度は、純水の蒸発に伴って低
下するが、この実施例２の構成によれば、セルスタック
９の排熱を回収した冷却用循環水の顕熱を利用して温度
を維持できる。すなわち、純水タンク４の水温は約74℃
で、バブリング槽２１への純水を300ml/min 循環させる
ことにより、バブリング温度を約70℃に保つことができ
る。
スを加湿するアノードガス加湿器とアンモニア除去器と
が兼用構成され、構成が簡略化できている。また、バブ
リング槽２１内の純水の温度は、純水の蒸発に伴って低
下するが、この実施例２の構成によれば、セルスタック
９の排熱を回収した冷却用循環水の顕熱を利用して温度
を維持できる。すなわち、純水タンク４の水温は約74℃
で、バブリング槽２１への純水を300ml/min 循環させる
ことにより、バブリング温度を約70℃に保つことができ
る。
【００４２】この実施例２において、実施例１と同様に
して発電試験を行った。バブリング槽２１の出口での精
製水素リッチガス中のアンモニア濃度は0.5ppb以下とな
っており、発電を安定して継続することができた。
して発電試験を行った。バブリング槽２１の出口での精
製水素リッチガス中のアンモニア濃度は0.5ppb以下とな
っており、発電を安定して継続することができた。
【００４３】実施例３
図３は、本発明に係る固体高分子型燃料電池発電システ
ムの実施例３の構成を示すブロック図であり、燃料改質
システムが、主に脱硫器３１、改質反応器３２、ＣＯ変
成器３３、ＣＯを除去するＣＯ選択酸化反応器３４から
成る天然ガスの水蒸気改質システムであって、ＣＯ変成
器３３とＣＯ選択酸化反応器３４との間で選択酸化用空
気４２を導入する前に、ＣＯ変成器３３の出口からのガ
ス中の水蒸気を凝縮分離する機構が備えられ、ＣＯ選択
酸化反応器３４の後段に、内部加湿・潜熱冷却式セルス
タック９を接続して構成されている。
ムの実施例３の構成を示すブロック図であり、燃料改質
システムが、主に脱硫器３１、改質反応器３２、ＣＯ変
成器３３、ＣＯを除去するＣＯ選択酸化反応器３４から
成る天然ガスの水蒸気改質システムであって、ＣＯ変成
器３３とＣＯ選択酸化反応器３４との間で選択酸化用空
気４２を導入する前に、ＣＯ変成器３３の出口からのガ
ス中の水蒸気を凝縮分離する機構が備えられ、ＣＯ選択
酸化反応器３４の後段に、内部加湿・潜熱冷却式セルス
タック９を接続して構成されている。
【００４４】ＣＯ変成器３３を出たガスが、水蒸気凝縮
用冷却水の給水管３５を備えた水蒸気凝縮器３６に供給
され、改質ガス中の水蒸気を凝縮させ、ドレントラップ
３７で気液分離した後、ＣＯ選択酸化反応器３４に供給
されるようになっている。
用冷却水の給水管３５を備えた水蒸気凝縮器３６に供給
され、改質ガス中の水蒸気を凝縮させ、ドレントラップ
３７で気液分離した後、ＣＯ選択酸化反応器３４に供給
されるようになっている。
【００４５】ドレントラップ３７には、電磁操作型の第
４の開閉弁３８を介装した排水管３９が接続され、更
に、ドレントラップ３７の側壁に第３の連通管４０が設
けられるとともに、その第３の連通管４０に第３の液面
センサ４１が設けられ、第３の液面センサ４１と第４の
開閉弁３８が連係され、ドレントラップ３７に溜まった
ドレンを適宜排出できるように構成されている。
４の開閉弁３８を介装した排水管３９が接続され、更
に、ドレントラップ３７の側壁に第３の連通管４０が設
けられるとともに、その第３の連通管４０に第３の液面
センサ４１が設けられ、第３の液面センサ４１と第４の
開閉弁３８が連係され、ドレントラップ３７に溜まった
ドレンを適宜排出できるように構成されている。
【００４６】この実施例３によれば、水蒸気を凝縮分離
する機構とアンモニア除去器とが兼用構成されている。
すなわち、アンモニアを含んだ、ＣＯ変成器３３の出口
のガスは、水蒸気凝縮器３６で発生した水にＣＯ2 とと
もに溶解される。アンモニアを除去された改質ガスは、
ＣＯ選択酸化反応器３４に供給され、ＣＯ濃度を低減し
た後、加湿器を経ずに内部加湿・潜熱冷却式セルスタッ
ク９に供給される。
する機構とアンモニア除去器とが兼用構成されている。
すなわち、アンモニアを含んだ、ＣＯ変成器３３の出口
のガスは、水蒸気凝縮器３６で発生した水にＣＯ2 とと
もに溶解される。アンモニアを除去された改質ガスは、
ＣＯ選択酸化反応器３４に供給され、ＣＯ濃度を低減し
た後、加湿器を経ずに内部加湿・潜熱冷却式セルスタッ
ク９に供給される。
【００４７】このＰＥＦＣ発電システムにおいて、窒素
を 0.5％含有する天然ガスをＳ／Ｃ＝ 3.0で水蒸気改質
し、ＣＯ変成器３３の出口の改質ガスのアンモニア濃度
を分析したところ、0.65ppm のアンモニアが含まれてい
た。アンモニア除去器を兼ねた水蒸気凝縮器３６でＣＯ
変成器３３を経たガスを25℃まで冷却したところ、ドレ
ンが3.2ml/min 凝縮した。水蒸気凝縮器３６の出口の改
質ガスのアンモニア濃度は、約1ppbとなっていた。この
実施例３の発電システムを用いて発電したところ、単セ
ル電圧が700mV を越えた状態で、発電を安定して継続す
ることができた。発電試験を継続した結果、として、初
期に十数mVの電圧の低下があったが、1000時間にわたっ
て、700mV を保ち、安定した発電ができた。
を 0.5％含有する天然ガスをＳ／Ｃ＝ 3.0で水蒸気改質
し、ＣＯ変成器３３の出口の改質ガスのアンモニア濃度
を分析したところ、0.65ppm のアンモニアが含まれてい
た。アンモニア除去器を兼ねた水蒸気凝縮器３６でＣＯ
変成器３３を経たガスを25℃まで冷却したところ、ドレ
ンが3.2ml/min 凝縮した。水蒸気凝縮器３６の出口の改
質ガスのアンモニア濃度は、約1ppbとなっていた。この
実施例３の発電システムを用いて発電したところ、単セ
ル電圧が700mV を越えた状態で、発電を安定して継続す
ることができた。発電試験を継続した結果、として、初
期に十数mVの電圧の低下があったが、1000時間にわたっ
て、700mV を保ち、安定した発電ができた。
【００４８】実施例４
図４は、本発明に係る固体高分子型燃料電池発電システ
ムの実施例４の構成を示すブロック図であり、実施例３
の燃料改質システムと、実施例２のアンモニア除去器を
兼ねた加湿器・セルスタック（外部加湿式）システムを
組み合わせ、更に、冷却水から排熱を回収する貯湯槽５
１を設けてＰＥＦＣコージェネレーションシステムが構
成されている。
ムの実施例４の構成を示すブロック図であり、実施例３
の燃料改質システムと、実施例２のアンモニア除去器を
兼ねた加湿器・セルスタック（外部加湿式）システムを
組み合わせ、更に、冷却水から排熱を回収する貯湯槽５
１を設けてＰＥＦＣコージェネレーションシステムが構
成されている。
【００４９】この実施例４の構成によれば、貯湯槽５１
を出た水は、水蒸気凝縮器３６で改質ガスの凝縮熱を回
収した後、純水タンク４の熱を回収して貯湯槽５１の頂
部に戻り、貯湯槽５１内に温水として熱が蓄えられる。
を出た水は、水蒸気凝縮器３６で改質ガスの凝縮熱を回
収した後、純水タンク４の熱を回収して貯湯槽５１の頂
部に戻り、貯湯槽５１内に温水として熱が蓄えられる。
【００５０】水蒸気凝縮器３６の上流側に、改質ガス中
の顕熱を冷却する改質ガス冷却器５２が設けられ、イオ
ン交換樹脂７を出た循環水を改質ガス冷却器５２の冷却
水として通すことにより、その熱交換によって加熱して
からバブリング槽２１に供給するように構成されてい
る。他の構成は実施例２および実施例３と同じであり、
同一図番を付すことによりその説明は省略する。
の顕熱を冷却する改質ガス冷却器５２が設けられ、イオ
ン交換樹脂７を出た循環水を改質ガス冷却器５２の冷却
水として通すことにより、その熱交換によって加熱して
からバブリング槽２１に供給するように構成されてい
る。他の構成は実施例２および実施例３と同じであり、
同一図番を付すことによりその説明は省略する。
【００５１】このＰＥＦＣコージェネレーションシステ
ムにおいて、窒素を１％含有する天然ガスをＳ／Ｃ＝
2.5で水蒸気改質し、ＣＯ変成器３３の出口の改質ガス
中のアンモニア濃度を分析したところ、1.5ppmのアンモ
ニアが含まれていた。アンモニア除去器を兼ねた水蒸気
凝縮器３６でＣＯ変成器３３を経たガスを25℃まで冷却
したところ、ドレンが1.5ml/min 凝縮した。水蒸気凝縮
器３６の出口の改質ガス中のアンモニア濃度は、10ppb
となっていた。純水タンク４の純水の温度は約74℃で、
循環水を約100ml/min 循環させると、改質ガス冷却器５
２の出口では82℃まで上昇してバブリング槽２１に供給
され、結果として、バブリング温度は約70℃に保たれ
る。バブリング槽２１を出た精製水素リッチガス中のア
ンモニア濃度は0.5ppb以下に低減されており、発電を安
定して継続することができた。
ムにおいて、窒素を１％含有する天然ガスをＳ／Ｃ＝
2.5で水蒸気改質し、ＣＯ変成器３３の出口の改質ガス
中のアンモニア濃度を分析したところ、1.5ppmのアンモ
ニアが含まれていた。アンモニア除去器を兼ねた水蒸気
凝縮器３６でＣＯ変成器３３を経たガスを25℃まで冷却
したところ、ドレンが1.5ml/min 凝縮した。水蒸気凝縮
器３６の出口の改質ガス中のアンモニア濃度は、10ppb
となっていた。純水タンク４の純水の温度は約74℃で、
循環水を約100ml/min 循環させると、改質ガス冷却器５
２の出口では82℃まで上昇してバブリング槽２１に供給
され、結果として、バブリング温度は約70℃に保たれ
る。バブリング槽２１を出た精製水素リッチガス中のア
ンモニア濃度は0.5ppb以下に低減されており、発電を安
定して継続することができた。
【００５２】実施例５
原燃料として、窒素を15％含む天然ガスを用いる以外は
実施例４と同様にして発電試験を行った。ＣＯ変成器３
３の出口の改質ガス中のアンモニア濃度は13ppm であ
り、アンモニア除去器を兼ねた水蒸気凝縮器３６の出口
の改質ガス中のアンモニア濃度は、0.75ppm となってい
た。しかし、バブリング槽２１を出た精製水素リッチガ
ス中のアンモニア濃度は0.5ppb以下に低減されており、
発電を安定して継続することができた。
実施例４と同様にして発電試験を行った。ＣＯ変成器３
３の出口の改質ガス中のアンモニア濃度は13ppm であ
り、アンモニア除去器を兼ねた水蒸気凝縮器３６の出口
の改質ガス中のアンモニア濃度は、0.75ppm となってい
た。しかし、バブリング槽２１を出た精製水素リッチガ
ス中のアンモニア濃度は0.5ppb以下に低減されており、
発電を安定して継続することができた。
【００５３】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に係る発明の固体高分子型燃料電池発電システムによ
れば、原燃料を改質して得られる水素リッチガス中のア
ンモニアをアンモニア除去器で濃度5ppb以下に除去して
いるので、窒素を含む原燃料を用いて、固体高分子型燃
料電池を不可逆的に劣化させるアンモニアが改質反応で
生成した場合でも、現在使われている通常のＰＥＦＣで
は、悪影響を与えることなく、４万時間以上安定して発
電することができる。
１に係る発明の固体高分子型燃料電池発電システムによ
れば、原燃料を改質して得られる水素リッチガス中のア
ンモニアをアンモニア除去器で濃度5ppb以下に除去して
いるので、窒素を含む原燃料を用いて、固体高分子型燃
料電池を不可逆的に劣化させるアンモニアが改質反応で
生成した場合でも、現在使われている通常のＰＥＦＣで
は、悪影響を与えることなく、４万時間以上安定して発
電することができる。
【００５４】また、請求項２に係る発明の固体高分子型
燃料電池発電システムによれば、アンモニア除去器で水
素リッチガス中のアンモニアを濃度0.5ppb以下まで除去
しているので、コストダウンのため膜厚を薄くしたＰＥ
ＦＣや電極触媒を低減したＰＥＦＣにおいても、９万時
間以上安定して発電することができる。
燃料電池発電システムによれば、アンモニア除去器で水
素リッチガス中のアンモニアを濃度0.5ppb以下まで除去
しているので、コストダウンのため膜厚を薄くしたＰＥ
ＦＣや電極触媒を低減したＰＥＦＣにおいても、９万時
間以上安定して発電することができる。
【００５５】また、請求項３に係る発明の固体高分子型
燃料電池発電システムによれば、水と接触させ、水素リ
ッチガス中のアンモニアをＣＯ2 と同時に水中に溶解さ
せて除去するから、炭化水素やアルコールなどを改質し
て得られる水素リッチガスに含まれているＣＯ2 が水に
溶解して酸性を呈し、アンモニアを吸収するので、簡便
かつ効果的にアンモニアを除去することができる。
燃料電池発電システムによれば、水と接触させ、水素リ
ッチガス中のアンモニアをＣＯ2 と同時に水中に溶解さ
せて除去するから、炭化水素やアルコールなどを改質し
て得られる水素リッチガスに含まれているＣＯ2 が水に
溶解して酸性を呈し、アンモニアを吸収するので、簡便
かつ効果的にアンモニアを除去することができる。
【００５６】また、請求項４に係る発明の固体高分子型
燃料電池発電システムによれば、水素リッチガスを製造
する燃料改質システムと固体高分子型燃料電池との間に
アンモニア除去器を設置することにより、容易にアンモ
ニアを除去することができる。
燃料電池発電システムによれば、水素リッチガスを製造
する燃料改質システムと固体高分子型燃料電池との間に
アンモニア除去器を設置することにより、容易にアンモ
ニアを除去することができる。
【００５７】また、請求項５に係る発明の固体高分子型
燃料電池発電システムによれば、アンモニア除去器とし
て新たに装置を追加することなくアンモニアが除去でき
るので経済性を向上できる。
燃料電池発電システムによれば、アンモニア除去器とし
て新たに装置を追加することなくアンモニアが除去でき
るので経済性を向上できる。
【００５８】また、請求項６に係る発明の固体高分子型
燃料電池発電システムによれば、過剰の水蒸気を凝縮分
離することができるので、改質ガスのライン上に水蒸気
が凝縮して閉塞するトラブルを防止することができ、発
電を安定して継続することができる。
燃料電池発電システムによれば、過剰の水蒸気を凝縮分
離することができるので、改質ガスのライン上に水蒸気
が凝縮して閉塞するトラブルを防止することができ、発
電を安定して継続することができる。
【００５９】また、請求項７に係る発明の固体高分子型
燃料電池発電システムによれば、アンモニア除去器とし
て新たに装置を追加することなくアンモニアが除去でき
るので経済性を向上できる。
燃料電池発電システムによれば、アンモニア除去器とし
て新たに装置を追加することなくアンモニアが除去でき
るので経済性を向上できる。
【００６０】また、請求項８に係る発明の固体高分子型
燃料電池発電システムによれば、加湿器に入る水素リッ
チガス中のアンモニア濃度が、水蒸気の凝縮分離によ
り、大幅に低減されているので、アンモニアの除去負荷
を極めて小さくでき、水蒸気の凝縮温度をあまり下げら
れない場合や加湿器での水の循環量を多くとれない場合
に良好に適用できる。
燃料電池発電システムによれば、加湿器に入る水素リッ
チガス中のアンモニア濃度が、水蒸気の凝縮分離によ
り、大幅に低減されているので、アンモニアの除去負荷
を極めて小さくでき、水蒸気の凝縮温度をあまり下げら
れない場合や加湿器での水の循環量を多くとれない場合
に良好に適用できる。
【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池発電システ
ムの実施例１に用いるアンモニア除去器の構成を示すブ
ロック図である。
ムの実施例１に用いるアンモニア除去器の構成を示すブ
ロック図である。
【図２】本発明に係る固体高分子型燃料電池発電システ
ムの実施例２の構成を示すブロック図である。
ムの実施例２の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る固体高分子型燃料電池発電システ
ムの実施例３の構成を示すブロック図である。
ムの実施例３の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る固体高分子型燃料電池発電システ
ムの実施例４の構成を示すブロック図である。
ムの実施例４の構成を示すブロック図である。
１…燃料改質システム
２…アンモニア吸収塔（吸収部）
７…イオン交換樹脂（再生部）
３２…改質反応器
３４…ＣＯ選択酸化反応器
３６…水蒸気凝縮器（水蒸気凝縮分離手段）
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 平井 一裕
大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪
瓦斯株式会社内
(72)発明者 山崎 修
大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪
瓦斯株式会社内
Ｆターム(参考） 5H026 AA06
5H027 AA06 BA01 BA16 KK31
Claims (8)
- 【請求項１】 窒素を含有する原燃料、もしくは原燃料
と窒素を含有するガスの混合物を改質して水素リッチガ
スを製造する燃料改質システムを備え、その燃料改質シ
ステムで製造された水素リッチガスを燃料として固体高
分子型燃料電池で発電する固体高分子型燃料電池発電シ
ステムであって、 アンモニア除去器により、水素リッチガス中のアンモニ
アを濃度5ppb以下に除去した後、固体高分子型燃料電池
に供給することを特徴とする固体高分子型燃料電池発電
システム。 - 【請求項２】 請求項１に記載の固体高分子型燃料電池
発電システムにおいて、 水素リッチガス中のアンモニアを濃度0.5ppb以下に除去
した後、固体高分子型燃料電池に供給するものである固
体高分子型燃料電池発電システム。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の固体高分子型
燃料電池発電システムにおいて、 アンモニア除去器が、水素リッチガスと水とを接触さ
せ、水素リッチガス中のアンモニアをＣＯ2 と同時に水
中に溶解させて除去するものである固体高分子型燃料電
池発電システム。 - 【請求項４】 請求項３に記載の固体高分子型燃料電池
発電システムにおいて、 アンモニア除去器が、水素リッチガスと水とを接触させ
る吸収部と、アンモニアを溶解した水からイオン交換樹
脂でアンモニアを除去する再生部とから成り、前記吸収
部と前記再生部との間で水を循環させるように構成して
ある固体高分子型燃料電池発電システム。 - 【請求項５】 請求項３または４に記載の固体高分子型
燃料電池発電システムにおいて、 アンモニア除去器が、水素リッチガスを加湿する加湿器
を兼用したものである固体高分子型燃料電池発電システ
ム。 - 【請求項６】 請求項１または２に記載の固体高分子型
燃料電池発電システムにおいて、 アンモニア除去器が、水素リッチガスを冷却することに
より水素リッチガス中に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝
縮水中に水素リッチガス中のアンモニアをＣＯ 2 と同時
に水中に溶解させて除去するものである固体高分子型燃
料電池発電システム。 - 【請求項７】 請求項６に記載の固体高分子型燃料電池
発電システムにおいて、 燃料改質システムが、改質触媒の共存下水蒸気および／
または空気と反応させて改質ガスを生成する改質反応器
と、その改質反応器で生成された改質ガス中のＣＯをＣ
Ｏ選択酸化触媒の共存下で酸素で選択的に酸化すること
によりＣＯ2 に変換するＣＯ選択酸化反応器とを少なく
とも含む、水素リッチガスを製造する燃料改質システム
であって、前記ＣＯ選択酸化反応器に供給する前に改質
ガス中に含まれる水蒸気を凝縮分離させる水蒸気凝縮分
離手段とアンモニア除去器を兼用したものである固体高
分子型燃料電池発電システム。 - 【請求項８】 請求項７に記載の固体高分子型燃料電池
発電システムにおいて、 アンモニア除去器として、水蒸気凝縮分離手段と、水素
リッチガスを加湿する加湿器とを併用するものである固
体高分子型燃料電池発電システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001211631A JP5078202B2 (ja) | 2001-07-12 | 2001-07-12 | 固体高分子型燃料電池発電システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001211631A JP5078202B2 (ja) | 2001-07-12 | 2001-07-12 | 固体高分子型燃料電池発電システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003031247A true JP2003031247A (ja) | 2003-01-31 |
| JP5078202B2 JP5078202B2 (ja) | 2012-11-21 |
Family
ID=19046907
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001211631A Expired - Lifetime JP5078202B2 (ja) | 2001-07-12 | 2001-07-12 | 固体高分子型燃料電池発電システム |
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|---|---|
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