JP2001135336A

JP2001135336A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2001135336A
Application number: JP31243999A
Authority: JP
Inventors: Shuji Ikegami; 周司池上; Nobuki Matsui; 伸樹松井; Yasunari Okamoto; 康令岡本; Kazuo Yonemoto; 和生米本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2001-05-18
Anticipated expiration: 2019-11-02
Also published as: JP4631115B2

Abstract

(57)【要約】【課題】システム全体の熱容量が小さく、迅速な起動
及び停止が可能であり、負荷変動に俊敏に対応し得る燃
料電池システムを提供する。【解決手段】炭化水素またはメタノールからなる原燃
料の部分酸化反応及び水性ガスシフト反応を起こし、生
成された水素を水素透過膜(24)を透過させて取り出すメ
ンブレン型水素生成器(10)と、カソード排出ガスと原料
ガスとを混合させて水素生成器(10)に供給する空気供給
路(42)と、水蒸気透過膜(34)によってカソード排出ガス
から水蒸気を分離し、当該水蒸気をスイープガスとして
水素生成器(10)に供給する水蒸気分離器(12)とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、負極に送り込む水素を燃料
とし、正極に送り込む酸素を酸化剤として、これらを電
解質を通じて反応させる発電機として一般に知られてい
る。この燃料電池に使用される水素は、炭化水素または
メタノールを改質することによって生成することがで
き、一般に、そのための改質器等を燃料電池と組み合わ
せることにより燃料電池システムが形成される。

【０００３】例えば特開平９−１１５５４１号公報や特
開平９−２６６００５号公報には、炭化水素を水蒸気改
質反応によって水素に改質する改質器と、この改質の際
に発生するＣＯを水性ガスシフト反応によって酸化させ
るＣＯ変成器と、さらに残存するＣＯを選択酸化させる
選択酸化器と、固体高分子型燃料電池とを備えた燃料電
池システムが開示されている。改質器、ＣＯ変成器及び
選択酸化器の各々には、それぞれの反応を促進させるた
めの触媒が設けられており、例えば、原燃料としてメタ
ンを用いた燃料電池システムでは、改質器には下記
（１）式の反応を促進させるためにＮｉ系触媒等が充填
され、ＣＯ変成器には下記（２）式の反応を促進させる
ためにＣｕ−ＺｎＯ系触媒が充填され、選択酸化器に
は、水素リッチガス中の少量のＣＯの酸化反応を水素の
酸化反応に優先して行うためにＲｕ系触媒等が充填され
ている。

【０００４】ＣnＨm＋ｎＨ₂Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ₂ ………（１）ｎＣＯ＋ｎＨ₂Ｏ→ｎＣＯ₂＋ｎＨ₂ ………（２）

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な改質器、ＣＯ変成器及び選択酸化器を備えた燃料電池
システムでは、これら各機器に充填している触媒の全体
量が多いため、システム全体の熱容量が大きかった。そ
のため、システムの起動や運転の停止を迅速に行うこと
が難しかった。また、大きな負荷変動に迅速に対応する
ことが困難であり、急激な容量変化に対して信頼性が低
かった。

【０００６】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、起動や運転停止を迅
速に行うことができ、容量変化に俊敏に対応できる燃料
電池システムを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、メンブレン型水素生成器を備えるととも
に、燃料電池のカソード排出ガスの一部を原燃料と混合
して当該メンブレン型水素生成器に供給し、当該メンブ
レン型水素生成器で生成した水素を燃料電池に供給する
こととした。

【０００８】具体的には、第１の発明は、炭化水素また
はメタノールからなる原燃料を供給する原燃料供給手段
(38)と、上記原燃料の部分酸化反応に対して活性を呈す
る第１の触媒(22)と、該部分酸化反応によって生成され
るＣＯを反応物とする水性ガスシフト反応に対して活性
を呈する第２の触媒(23)とを有し、上記原燃料供給手段
(38)から供給される上記原燃料から該部分酸化反応及び
該水性ガスシフト反応により水素を生成し、該水素を水
素透過膜(24)を透過させて取り出すメンブレン型水素生
成器(10)と、上記メンブレン型水素生成器(10)によって
生成された水素を燃料として発電する燃料電池(11)と、
上記燃料電池(11)のカソード排出ガスから酸素及び水蒸
気を含んだ空気を取り出し、該空気を上記部分酸化反応
のために上記メンブレン型水素生成器(10)に供給する空
気供給手段(42)とを備えていることとしたものである。

【０００９】このことにより、メンブレン型水素生成器
(10)において、下記（３）式及び（４）式で表される反
応が起こる。

【００１０】ＣnＨm＋（ｎ／２）Ｏ₂→ｎＣＯ＋（ｍ／２）Ｈ₂ ………（３）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ ………（４）（３）式は部分酸化反応であり、この反応によって目的
とする水素が得られるとともに、同時に生じるＣＯが
（４）式の水性ガスシフト反応によって酸化され、その
際に水素が発生する。ここで、水素は水素透過膜(24)を
透過するが、ＣＯまたはＣＯ₂は水素透過膜(24)を透過
しないため、水素は水素透過膜(24)を介してＣＯやＣＯ
₂から分離される。そして、分離された水素は燃料電池
(11)に供給され、燃料電池(11)の燃料として利用され
る。メンブレン型水素生成器(10)に対しては、空気供給
手段(42)から水蒸気が供給されるので、上記（４）式の
水性ガスシフト反応が生じやすくなり（平衡が生成側に
傾く）、水素の収率は高くなる。

【００１１】前記（３）式の部分酸化反応は発熱反応で
あり、原燃料が例えばメタン（ＣＨ ₄）の場合はΔＨ＝
−３６．０７ｋＪ／ｍｏｌである。前記（４）式の水性
ガスシフト反応も発熱反応であって、ΔＨ＝−４１．１
２ｋＪ／ｍｏｌである。従って、これら反応が始まった
後は、反応を維持するために必要な熱が反応熱によって
得られるので、外部からの加熱量を少なくすることがで
き、ひいては外部加熱を不要にすることができる。

【００１２】このように、従来システムにある水蒸気改
質、ＣＯ変成器及び部分酸化反応器といった各機器の設
置が不要となり、システム全体の触媒量を低減すること
ができる。そのため、システムの起動及び停止が容易に
なり、また、負荷変動に応じて運転能力を迅速に調整す
ることが可能となる。また、システムが小型化し、低コ
スト化が図られる。

【００１３】第２の発明は、前記第１の発明において、
水蒸気透過膜(34)を有し、燃料電池(11)のカソード排出
ガスから該水蒸気透過膜(34)を介して水蒸気を回収する
水蒸気回収手段(12)と、上記水蒸気回収手段(12)によっ
て回収された水蒸気をメンブレン型水素生成器(10)の水
素透過膜(24)に沿って流れるように供給する第１水蒸気
供給手段(27a)と、上記燃料電池(11)のアノード(16)を
加湿するように上記メンブレン型水素生成器(10)の残留
水蒸気を該燃料電池(11)に供給する第２水蒸気供給手段
(29a)とを備えていることとしたものである。

【００１４】このことにより、水蒸気回収手段(12)にお
いて、燃料電池(11)のカソード排出ガスから水蒸気が回
収される。回収された水蒸気は、第１水蒸気供給手段(2
7a)によってメンブレン型水素生成器(10)に供給され、
水素透過膜(24)に沿って流通する。その結果、この水蒸
気はメンブレン型水素生成器(10)内でスイープガスの役
割を担い、部分酸化反応または水性ガスシフト反応を促
進し、水素の収率が向上する。

【００１５】第３の発明は、前記第２の発明において、
メンブレン型水素生成器(10)において水素を分離されて
残った残留ガスと燃料電池(11)のアノード排出ガスとを
合流させる合流手段(47)と、上記残留ガスと上記アノー
ド排出ガスとが合流してなる混合ガスを燃焼させる触媒
燃焼器(14)とを備えていることとしたものである。

【００１６】このことにより、混合ガスは触媒燃焼器(1
4)で燃焼した後にシステム外に排出されることになり、
大気に放出される排出ガスが清浄化する。

【００１７】第４の発明は、前記第３の発明において、
触媒燃焼器(14)に設けられた熱回収熱交換器(49)と、上
記熱回収熱交換器(49)が接続され、該熱回収熱交換器(4
9)を介して上記触媒燃焼器(14)の排ガスと熱交換を行う
熱媒体を流通させる熱回収回路(50)とを備えていること
としたものである。

【００１８】このことにより、排熱回収熱交換器(49)に
おいて燃焼ガスの有する熱が回収され、この回収熱を利
用することによりシステムの効率向上が図られる。

【００１９】第５の発明は、前記第３の発明において、
触媒燃焼器(14)の下流側の燃焼ガス流路(14a)に設けら
れた熱回収熱交換器(49)と、上記熱回収熱交換器(49)が
接続され、該熱回収熱交換器(49)を介して上記触媒燃焼
器(14)の排ガスと熱交換を行う熱媒体を流通させる熱回
収回路(50)とを備えていることとしたものである。

【００２０】このことにより、排熱回収熱交換器(49)に
おいて燃焼ガスの有する熱が回収され、この回収熱を利
用することによりシステムの効率向上が図られる。

【００２１】第６の発明は、前記第１〜第５の発明にお
いて、燃料電池(11)には、該燃料電池(11)を冷却すると
ともに該燃料電池(11)の排熱を回収する冷却熱交換器(4
8)が設けられていることとしたものである。

【００２２】このことにより、冷却熱交換器(48)によっ
て燃料電池(11)が冷却されるとともに、燃料電池(11)の
排熱が回収され、システムの効率向上が図られる。

【００２３】第７の発明は、前記第４または第５の発明
において、熱回収回路(50)には、燃料電池(11)を冷却す
るとともに該燃料電池(11)の排熱を回収する冷却熱交換
器(48)が設けられ、上記熱回収回路(50)における上記冷
却熱交換器(48)と上記排熱回収熱交換器(49)との間に
は、該冷却熱交換器(48)または該排熱回収熱交換器(49)
の熱交換量を調節するためのバイパス回路(51)が設けら
れていることとしたものである。

【００２４】このことにより、熱回収回路(50)の熱媒体
の一部または全部をバイパス回路(51)にバイパスさせる
ことにより、冷却熱交換器(48)及び熱回収熱交換器(49)
における熱交換量を調節することが可能となる。

【００２５】第８の発明は、前記第４、５または７の発
明において、熱回収回路(50)の熱媒体は水であり、上記
熱回収回路(50)には、上記水を利用する利用機器が設け
られていることとしたものである。

【００２６】このことにより、利用水は冷却熱交換器(4
8)または排熱回収熱交換器(49)を介して直接加熱され、
利用機器において有効に利用される。

【００２７】第９の発明は、前記第４、５または７の発
明において、熱回収回路(50)は、熱回収側熱媒体が流通
する閉回路によって形成され、上記熱回収回路(50)に設
けられた中間熱交換器と、上記中間熱交換器を介して上
記熱回収回路(50)に接続され、該中間熱交換器において
上記熱回収側熱媒体と熱交換を行う利用側熱媒体を流通
させる利用側回路と、上記利用側回路に設けられ、上記
利用側熱媒体を利用する利用機器とを備えていることと
したものである。

【００２８】このことにより、冷却熱交換器(48)または
排熱回収熱交換器(49)によって加熱された熱回収側熱媒
体が熱回収回路(50)を流通し、利用側回路を流通する利
用側熱媒体は、中間熱交換器を介して熱回収側熱媒体に
加熱される。そして、加熱された利用側熱媒体は、利用
機器において有効に利用される。

【００２９】第１０の発明は、前記第８または９の発明
において、利用機器は、メンブレン型水素生成器(10)に
供給される原燃料を予熱する予熱熱交換器(52)であるこ
ととしたものである。

【００３０】このことにより、冷却熱交換器(48)または
排熱回収熱交換器(49)によって回収された熱が原燃料の
予熱に利用され、システムの効率が向上する。

【００３１】第１１の発明は、前記第１〜１０の発明に
おいて、電気出力と熱出力との比率を変動自在なように
燃料電池(11)の出力電流を調節する出力電流調節手段(1
38)を備えていることとしたものである。

【００３２】燃料電池における燃料（水素）利用率及び
酸素（空気）利用率は、燃料電池(11)の負荷（電力使用
量）によって変動する。つまり、燃料電池(11)に対する
燃料流入量及び酸素流入量を一定にしたとき、燃料電池
(11)の出力電流値を変化させれば、電池反応によって消
費される水素及び酸素の量が変化し、それに伴って電気
出力が変化する。

【００３３】第１２の発明は、前記第２〜第１１の発明
において、熱伝導性の水蒸気透過膜(35)を有し、燃料電
池(11)のカソード(15)に供給されるカソード供給空気を
加湿及び予熱するように、水蒸気回収手段(12)において
水蒸気を回収された残留ガスから該水蒸気透過膜(35)を
介して熱及び水蒸気を回収し、該熱及び水蒸気を上記カ
ソード供給空気に供給する補助回収手段(13)を備えてい
ることとしたものである。

【００３４】このことにより、補助回収手段(13)によっ
て、水蒸気回収手段(12)の残留ガスから熱及び水蒸気が
回収される。そして、これら熱及び水蒸気はカソード供
給空気に供給され、燃料電池(11)のカソード(15)の加湿
及び予熱に利用される。従って、システムの効率が向上
する。

【００３５】第１３の発明は、前記第１〜第１２の発明
において、原燃料をメンブレン型水素生成器(10)に搬送
する第１搬送手段(39)と、メンブレン型水素生成器(10)
から燃料電池(11)に水素ガスを搬送する第２搬送手段(4
0)と、燃料電池(11)にカソード供給空気を搬送する第３
搬送手段(45)とを備え、前記空気供給手段(42)は、第４
搬送手段(43)を備え、上記第１〜第４搬送手段(39,40,4
5,43)のうち少なくとも２つは、同一の電動機によって
駆動される圧縮機または送風機により構成されているこ
ととしたものである。

【００３６】このことにより、少なくとも２つの搬送手
段は同一の電動機によって駆動される圧縮機または送風
機により構成されているので、システム全体の小型化や
低コスト化が促進される。

【００３７】第１４の発明は、前記第１〜第１２の発明
において、原燃料をメンブレン型水素生成器(10)に搬送
する第１搬送手段(39)と、メンブレン型水素生成器(10)
から燃料電池(11)に水素ガスを搬送する第２搬送手段(4
0)と、燃料電池(11)にカソード供給空気を搬送する第３
搬送手段(45)とを備え、上記第２及び第３搬送手段(40,
45)は、上記第１搬送手段(39)の起動に先立って起動す
るように構成されていることとしたものである。

【００３８】このことにより、燃料の供給に先立って燃
料電池(11)の加湿が行われることになり、燃料電池(11)
は起動直後から良好な特性を発揮することになる。

【００３９】第１５の発明は、前記第１〜第１４の発明
において、メンブレン型水素生成器(10)は、内部圧力が
大気圧よりも高くなるように設定され、燃料電池(11)
は、内部圧力が大気圧になるように設定され、上記メン
ブレン型水素生成器(10)と上記燃料電池(11)とを接続す
る水素供給路(29a)には、動圧回収用の膨張タービンが
設けられていることとしたものである。

【００４０】このことにより、メンブレン型水素生成器
(10)内の高圧圧力の有するエネルギーの一部が膨張ター
ビンで回収され、回収した動力の有効活用によりシステ
ムの効率が向上する。

【００４１】第１６の発明は、前記第１〜第１４の発明
において、燃料電池(11)は、内部圧力が大気圧よりも高
くなるように設定され、メンブレン型水素生成器(10)に
おいて水素を分離されて残った残留ガスと燃料電池(11)
のアノード排出ガスとを合流させる合流手段(47)と、上
記合流手段(47)の下流側に設けられた動力回収用の膨張
タービン(56)とが設けられていることとしたものであ
る。

【００４２】このことにより、メンブレン型水素生成器
(10)の残留ガスと燃料電池(11)のアノード排出ガスとが
混合してなる混合ガスは、膨張タービン(56)において動
力が回収される。そして、回収した動力が有効活用され
ることにより、システムの効率が向上する。

【００４３】第１７の発明は、前記第２〜第１４の発明
において、燃料電池(11)は、内部圧力が大気圧よりも高
くなるように設定され、水蒸気回収手段(12)の下流側
に、燃料電池(11)のカソード排出ガスから水蒸気を回収
されて残った残留ガスから動力を回収する膨張タービン
(55)が設けられていることとしたものである。

【００４４】このことにより、水蒸気回収手段(12)を流
出した残留ガスの有するエネルギーの一部が膨張タービ
ン(55)で回収され、回収した動力の有効活用によりシス
テムの効率が向上する。

【００４５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００４６】＜実施形態１＞図１に示すように、実施形
態１に係る燃料電池システム(1) は、メンブレン型水素
生成器(10)、燃料電池(11)、水蒸気分離器(12)、熱・水
蒸気交換器(13)、及び触媒燃焼器(14)を備えている。

【００４７】図２に示すように、水素生成器(10)は、円
筒形状の水素透過膜(24)からなる内管(20)と、内管(20)
と同心状に設けられた外管(21)と、これら内管(20)及び
外管(21)を覆う有底円筒形状のケーシング(17)とを備え
ている。

【００４８】ケーシング(17)の上面には、水蒸気導入管
(27)が接続された水蒸気導入口(28)が設けられ、ケーシ
ング(17)の下面には、水素供給管(29)が接続された水素
導出口(30)が設けられている。内管(20)の一端は水蒸気
導入口(28)に接続され、内管(20)の他端は水素導出口(3
0)に接続されている。ケーシング(17)の側面の下部に
は、燃料導入管(18)が接続された燃料導入口(25)と、残
留ガス排出管(19)が接続された残留ガス排出口(26)とが
設けられている。ケーシング(17)の内面と外管(21)の外
面との間には、燃料導入口(25)から導入したガスを上方
に向かって流通させるガス流路(31)が形成されている。
外管(21)の上端面はケーシング(17)の上部の内面よりも
下方に位置しており、外管(21)の上端面とケーシング(1
7)の上部内面との間には、ガス流路(31)を流通したガス
を外管(21)と内管(20)との間に導くために十分な大きさ
の隙間が設けられている。

【００４９】外管(21)と内管(20)との間には上方から下
方に向かって順に、第１触媒が充填されてなる第１触媒
層(22)と、第２触媒が充填されてなる第２触媒層(23)と
が設けられている。外管(21)の下部は、その一部がケー
シング(17)の下部の内面に固着されており、他の一部
は、燃料導入口(25)から導入したガスがそのまま残留ガ
ス排出口(26)から流出することがないように、第２触媒
層(23)を通過したガスのみを残留ガス排出口(26)から排
出する排出通路を区画形成している。

【００５０】第１触媒は、炭化水素またはメタノールか
らなる燃料ガスの部分酸化反応に対して活性を呈する触
媒であり、例えばＲｕまたはＲｈをＡｌ₂Ｏ₃に担持させ
てなる触媒を好適に用いることができる。一方、第２触
媒は、上記部分酸化反応によって生成されるＣＯを反応
物とする水性ガスシフト反応に対して活性を呈する触媒
であり、例えばＦｅ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＣｕＯ、ＺｎＯ等
を好適に用いることができる。

【００５１】図１に示すように、燃料電池(11)は、触媒
電極であるカソード（酸素極）(15)とアノード（水素
極）(16)とを有する固体高分子電解質型の燃料電池であ
る。

【００５２】水蒸気分離器(12)は、水蒸気透過膜(34)に
よって燃料電池(11)のカソード排出ガスから水蒸気を分
離するものであり、水蒸気透過膜(34)の一方の側にはカ
ソード排出ガスが流通するガス流通部(32)が設けられ、
水蒸気透過膜(34)の他方の側には、分離された水蒸気が
流通する水蒸気流通部(33)が設けられている。

【００５３】熱・水蒸気交換器(13)は、熱伝導性の水蒸
気透過膜からなる熱及び水蒸気の移動が可能な分離膜(3
5)を有し、水蒸気分離器(12)において水蒸気を分離され
て残った残留ガスから分離膜(35)を介して熱及び水蒸気
を回収し、回収した熱及び水蒸気を燃料電池(11)のカソ
ード(15)に供給される空気（カソード供給空気）に加え
るものである。分離膜(35)の一方の側には、残留ガスが
流通するガス流通部(37)が設けられ、分離膜(35)の他方
の側には、カソード供給空気が流通する空気流通部(36)
が設けられている。

【００５４】炭化水素またはメタノールからなる原燃料
（原料）を供給する原料供給源(38)の下流側の燃料導入
路(18a)には、原料ガスを搬送する圧縮機(39)が設けら
れ、圧縮機(39)の吐出側には前述の燃料導入管(18)（図
２参照）が接続されている。水素生成器(10)の水素供給
管(29)が設けられた水素供給路(29a)は、燃料電池(11)
のアノード(16)の入口側に接続されている。この水素供
給路(29a)には、水素生成器(10)において生成した水素
ガスを燃料電池(11)に搬送するための圧縮機(40)が設け
られている。燃料電池(11)のカソード(15)の出口側と水
蒸気分離器(12)のガス流通部(32)とは、ガス流路(41)を
介して接続されている。ガス流路(41)の一部は分岐して
燃料導入路(18a)に接続され、カソード排出ガスの一部
を原料ガスと混合させる空気供給路(42)となっている。
この空気供給路(42)には、圧縮機(43)が設けられてい
る。水蒸気分離器(12)の水蒸気流通部(33)と水素生成器
(10)の水蒸気導入管(27)とは、水蒸気導入路(27a)を介
して接続されている。熱・水蒸気交換器(13)の空気流通
部(36)と燃料電池(11)のカソード(15)の入口側とは、送
風機(45)が設けられた空気供給路(44)を介して接続され
ている。水素生成器(10)の残留ガス排出管(19)が設けら
れたガス流路(19a)と燃料電池(11)のアノード(16)の出
口側に設けられたガス流路(46)とは、合流路(47)におい
て合流しており、その下流側に触媒燃焼器(14)が設けら
れている。

【００５５】燃料電池システム(1)には、本燃料電池シ
ステム(1)の排熱を利用するための熱回収回路として、
水回路(50)が設けられている。触媒燃焼器(14)の下流側
には、触媒燃焼器(14)の排出ガスと水回路(50)の水とを
熱交換させて当該排出ガスの熱を回収するための熱回収
熱交換器(49)が設けられている。水回路(50)には、上記
熱回収熱交換器(49)の他に、燃料電池(11)の冷却熱交換
器(48)と、原料供給源(38)から供給される原料ガスを予
熱するための予熱熱交換器(52)と、ポンプ(53)とが設け
られている。冷却熱交換器(48)と熱回収熱交換器(49)と
の間には、流量調節機構(54)を有するバイパス回路(51)
が設けられている。

【００５６】図示は省略するが、本実施形態では、圧縮
機(39)と圧縮機(40)と圧縮機(43)とは、同一の電動機
（図示せず）によって駆動されるように一体的に形成さ
れている。なお、圧縮機(39)、圧縮機(40)、圧縮機(43)
及び送風機(45)は、それぞれ別個に構成されていてもよ
く、このうちの２または３以上が同一の電動機によって
駆動されるように構成されていてもよい。

【００５７】また、圧縮機(39)、圧縮機(40)、圧縮機(4
3)及び送風機(45)のそれぞれの容量は、水素生成器(10)
における第１触媒層(22)及び第２触媒層(23)内の圧力が
内管(20)内の圧力よりも高く、水蒸気分離器(12)におけ
るガス流通部(32)内の圧力が水蒸気流通部(33)内の圧力
よりも高く、熱・水蒸気交換器(13)におけるガス流通部
(37)内の圧力が空気流通部(36)内の圧力よりも高くなる
ように設定されている。

【００５８】次に、燃料電池システム(1) の動作につい
て説明する。まず、送風機(45)及び圧縮機(40)を起動
し、原料供給源(38)からの原料の供給に先立って燃料電
池(11)の加湿を行う。その後、圧縮機(39)及び圧縮機(4
3)を起動する。原料供給源(38)から供給された原料ガス
は、予熱熱交換器(52)によって予熱された後、空気供給
路(42)から供給される酸素及び水蒸気を含むカソード排
出ガスとともに、水素生成器(10)に流入する。

【００５９】原料ガスとカソード排出ガスとが混合して
なる混合ガスは、水素生成器(10)の第１触媒層(22)にお
いて部分酸化反応（前記（３）式参照）を起こし、この
反応によって水素が生成される。また、部分酸化反応に
よって生じたＣＯは、第２触媒層(23)において水性ガス
シフト反応（前記（４）式参照）を起こし、この反応に
よっても水素が生成される。生成された水素は、水素透
過膜(24)を通過し、内管(20)内を流れるスイープガスと
しての水蒸気とともに水素供給路(29a)に流出し、燃料
電池(11)のアノード(16)側に供給される。一方、水素を
分離されて残った残留ガスは、ガス流路(19a)に排出さ
れる。

【００６０】燃料電池(11)では、アノード(16)の電極表
面において２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^-、カソード(15)の電極
表面においてＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏの電池反応が
起こる。従って、カソード(15)の排出ガスには電池反応
に用いられなかった余剰空気と電池反応によって生じた
水蒸気とが含まれる。このカソード排出ガスの一部は、
空気供給路(42)を通じて水素生成器(10)に供給される。
カソード排出ガスの他の部分は、水蒸気分離器(12)のガ
ス流通部(32)に供給される。一方、アノード(16)の排出
ガスには、電池反応に使用されなかった水素、空気及び
水蒸気が含まれる。このアノード排出ガスは、水素生成
器(10)の残留ガスとともに触媒燃焼器(14)において燃焼
され、清浄ガスとなって大気に放出される。

【００６１】水蒸気分離器(12)のガス流通部(32)に供給
されたカソード排出ガスは、ガス流通部(32)を流通する
際に水蒸気透過膜(34)によって水蒸気が分離される。分
離された水蒸気は、水蒸気導入路(27a)を通じて水素生
成器(10)に供給され、スイープガスとして水素生成器(1
0)の内管(20)内を流通する。水蒸気が分離されて残った
残留ガスは、熱・水蒸気交換器(13)のガス流通部(37)に
供給される。

【００６２】熱・水蒸気交換器(13)のガス流通部(37)に
供給されたガスは、ガス流通部(37)を流通する際に、空
気流通部(36)を流れる空気と熱及び水蒸気の交換を行
い、冷却及び減湿される。冷却及び減湿されたガスは、
大気に放出される。一方、空気流通部(36)において加熱
及び加湿された空気は、空気供給路(44)を通じて燃料電
池(11)のカソード(15)に供給される。

【００６３】以上のように、本燃料電池システム(1) に
よれば、従来システムにある水蒸気改質器、ＣＯ変成器
及び選択酸化器といった各機器の設置が不要であり、シ
ステムの簡易化及びコンパクト化が実現できる。また、
充填している触媒の量が少なく、システム全体の熱容量
が小さいことから、システムの起動や運転の停止を迅速
に行うことができる。また、大きな負荷変動に対応して
容量を迅速に調節することができる。

【００６４】＜実施形態２＞図３に示す実施形態２に係
る燃料電池システム(1A)は、燃料電池(11)を大気圧より
も高い圧力（高圧）の条件下で作動させるようにしたも
のである。具体的には、本燃料電池システム(1A)は、実
施形態１の燃料電池システム(1) において圧縮機(43)を
削除し、熱・水蒸気交換器(13)のガス流通部(37)の下流
側に膨張タービン(55)を設け、触媒燃焼器(14)の下流側
に膨張タービン(56)を設けたものである。圧縮機(39)、
圧縮機(40)及び送風機(45)の容量は、燃料電池(11)の内
部を高圧にするように設定されている。

【００６５】膨張タービン(55)は送風機(45)と連結され
ており、熱・水蒸気交換器(13)から大気に放出される排
出ガスから動力を回収し、回収した動力を送風機(45)の
駆動に利用するように構成されている。膨張タービン(5
6)は例えば圧縮機(40)と連結されており、触媒燃焼器(1
4)から大気に放出される排出ガスから動力を回収し、回
収した動力を圧縮機(40)の駆動に利用するように構成さ
れている。

【００６６】従って、本実施形態によれば、排出ガスの
動力の一部を回収し、圧縮機及び送風機の駆動に利用す
るので、システムの運転効率を向上させることができ
る。

【００６７】＜実施形態３＞図４に示すように、実施形
態３は、燃料電池(11)に電力調節器(138)を設けたもの
である。電力調節器(138)は、燃料電池(11)の出力電流
値を調節する調節器であり、燃料電池(11)と電気負荷(1
36)との間に設けられている。また、電力調節器(138)に
は、燃料電池(11)と並列に別の電源(137)が接続されて
いる。

【００６８】電力調節器(138)による燃料電池(11)の出
力電流値の調節によって不足する電力は、電源(137)に
よって補われる。

【００６９】燃料電池(11)における水素の使用量が１Ｌ
／ｍｉｎ（０℃、１気圧）のときにその利用率が１００
％であるとすると、そのときの出力電流値Ａは理論的に
は次のようになる。

【００７０】Ａ＝２ｎＦ＝１４３（アンペア）（Ａ；Ｃ（クーロン）／ｓｅｃ，ｎ：モル／ｓｅｃ，
Ｆ：ファラデー定数）従って、出力電流値を上記理論値よりも下げると水素利
用率（燃料利用率）及び空気利用率が低下することにな
る。この場合、空気利用率は例えば０．４〜０．７５の
範囲で調節する。

【００７１】電気出力と熱出力のバランス（比率）は、
水素生成器(10)の水素生成量を一定にしたまま変動させ
ることも可能であり、また、水素生成器(10)の水素生成
量を変動させながら変動させることも可能である。水素
生成器(10)の水素生成量は、例えば原料の供給量や、酸
素及び水蒸気の混合比を変化させる等の操作により変動
させることができる。

【００７２】このように、本燃料電池システムによれ
ば、メンブレン型水素生成器(10)や熱回収回路(50)の円
滑な動作を損なうことなく、負荷変動運転を行うことが
できる。

【００７３】＜その他の実施形態＞上記実施形態１〜３
では、冷却熱交換器(48)及び熱回収熱交換器(49)を介し
て排熱回収した水を予熱熱交換器(52)に直接供給するよ
うにしていたが、図５に示すように、冷却熱交換器(48)
及び熱回収熱交換器(49)を閉回路に構成された熱回収回
路(50)に設け、予熱熱交換器(52)を熱回収回路(50)とは
別個の利用側回路(61)に設け、これら熱回収回路(50)と
利用側回路(61)とを中間熱交換器(60)で接続するように
してもよい。

【００７４】また、前記実施形態２は、燃料電池(11)の
内部を高圧にする形態であったが、水素生成器(10)の内
部を高圧にし、燃料電池(11)の内部圧力を大気圧にし、
水素生成器(10)と燃料電池(11)との間の水素供給路(29
a)に動力回収用の膨張タービンを設けるようにしてもよ
い。

【００７５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、燃料電
池(11)のカソード排出ガスの一部を原燃料と混合してメ
ンブレン型水素生成器(10)に供給し、触媒の存在下にお
いて原燃料の部分酸化反応及び水性ガスシフト反応を起
こし、水素透過膜(24)によって分離した水素を燃料電池
(11)に供給することとしたので、システム全体の触媒の
量を低減することができ、システムの熱容量を小さくす
ることができる。従って、システムの起動及び停止が容
易になり、また、負荷変動に応じて運転能力を迅速に調
節することが可能となる。また、システムを小型化する
ことができ、コストを低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１に係る燃料電池システムの構成図で
ある。

【図２】メンブレン型水素生成器の構成図である。

【図３】実施形態２に係る燃料電池システムの構成図で
ある。

【図４】実施形態３に係る燃料電池システムの一部の構
成図である。

【図５】他の実施形態に係る燃料電池システムの一部の
構成図である。

【符号の説明】

(1) 燃料電池システム (10) メンブレン型水素生成器 (11) 燃料電池 (12) 水蒸気分離器 (13) 熱・水蒸気交換器 (14) 触媒燃焼器 (15) カソード (16) アノード (24) 水素透過膜 (34) 水蒸気透過膜 (35) 分離膜 (42) 空気供給路 (48) 冷却熱交換器 (49) 熱回収熱交換器 (50) 水回路 (52) 予熱熱交換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 ＸＡＪ (72)発明者岡本康令大阪府堺市金岡町1304番地ダイキン工業株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者米本和生大阪府堺市金岡町1304番地ダイキン工業株式会社堺製作所金岡工場内Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EB03 EB14 EB23 EB33 EB43 EB44 5H027 AA02 BA05 BA09 BA17 BA19 CC06 KK05 KK52 MM08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素またはメタノールからなる原燃
料を供給する原燃料供給手段(38)と、上記原燃料の部分酸化反応に対して活性を呈する第１の
触媒(22)と、該部分酸化反応によって生成されるＣＯを
反応物とする水性ガスシフト反応に対して活性を呈する
第２の触媒(23)とを有し、上記原燃料供給手段(38)から
供給される上記原燃料から該部分酸化反応及び該水性ガ
スシフト反応により水素を生成し、該水素を水素透過膜
(24)を透過させて取り出すメンブレン型水素生成器(10)
と、上記メンブレン型水素生成器(10)によって生成された水
素を燃料として発電する燃料電池(11)と、上記燃料電池(11)のカソード排出ガスから酸素及び水蒸
気を含んだ空気を取り出し、該空気を上記部分酸化反応
のために上記メンブレン型水素生成器(10)に供給する空
気供給手段(42)とを備えている燃料電池システム。
【請求項２】請求項１に記載の燃料電池システムであ
って、水蒸気透過膜(34)を有し、燃料電池(11)のカソード排出
ガスから該水蒸気透過膜(34)を介して水蒸気を回収する
水蒸気回収手段(12)と、上記水蒸気回収手段(12)によって回収された水蒸気をメ
ンブレン型水素生成器(10)の水素透過膜(24)に沿って流
れるように供給する第１水蒸気供給手段(27a)と、上記燃料電池(11)のアノード(16)を加湿するように上記
メンブレン型水素生成器(10)の残留水蒸気を該燃料電池
(11)に供給する第２水蒸気供給手段(29a)とを備えてい
る燃料電池システム。
【請求項３】請求項２に記載の燃料電池システムであ
って、メンブレン型水素生成器(10)において水素を分離されて
残った残留ガスと燃料電池(11)のアノード排出ガスとを
合流させる合流手段(47)と、上記残留ガスと上記アノード排出ガスとが合流してなる
混合ガスを燃焼させる触媒燃焼器(14)とを備えている燃
料電池システム。
【請求項４】請求項３に記載の燃料電池システムであ
って、触媒燃焼器(14)に設けられた熱回収熱交換器(49)と、上記熱回収熱交換器(49)が接続され、該熱回収熱交換器
(49)を介して上記触媒燃焼器(14)の排ガスと熱交換を行
う熱媒体を流通させる熱回収回路(50)とを備えている燃
料電池システム。
【請求項５】請求項３に記載の燃料電池システムであ
って、触媒燃焼器(14)の下流側の燃焼ガス流路(14a)に設けら
れた熱回収熱交換器(49)と、上記熱回収熱交換器(49)が接続され、該熱回収熱交換器
(49)を介して上記触媒燃焼器(14)の排ガスと熱交換を行
う熱媒体を流通させる熱回収回路(50)とを備えている燃
料電池システム。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃
料電池システムであって、燃料電池(11)には、該燃料電池(11)を冷却するとともに
該燃料電池(11)の排熱を回収する冷却熱交換器(48)が設
けられている燃料電池システム。
【請求項７】請求項４または５のいずれか一つに記載
の燃料電池システムであって、熱回収回路(50)には、燃料電池(11)を冷却するとともに
該燃料電池(11)の排熱を回収する冷却熱交換器(48)が設
けられ、上記熱回収回路(50)における上記冷却熱交換器(48)と上
記排熱回収熱交換器(49)との間には、該冷却熱交換器(4
8)または該排熱回収熱交換器(49)の熱交換量を調節する
ためのバイパス回路(51)が設けられている燃料電池シス
テム。
【請求項８】請求項４、５または７のいずれか一つに
記載の燃料電池システムであって、熱回収回路(50)の熱媒体は水であり、上記熱回収回路(50)には、上記水を利用する利用機器が
設けられている燃料電池システム。
【請求項９】請求項４、５または７のいずれか一つに
記載の燃料電池システムであって、熱回収回路(50)は、熱回収側熱媒体が流通する閉回路に
よって形成され、上記熱回収回路(50)に設けられた中間熱交換器と、上記中間熱交換器を介して上記熱回収回路(50)に接続さ
れ、該中間熱交換器において上記熱回収側熱媒体と熱交
換を行う利用側熱媒体を流通させる利用側回路と、上記利用側回路に設けられ、上記利用側熱媒体を利用す
る利用機器とを備えている燃料電池システム。
【請求項１０】請求項８または９のいずれか一つに記
載の燃料電池システムであって、利用機器は、メンブレン型水素生成器(10)に供給される
原燃料を予熱する予熱熱交換器(52)である燃料電池シス
テム。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれか一つに記載
の燃料電池システムであって、電気出力と熱出力との比率を変動自在なように燃料電池
(11)の出力電流を調節する出力電流調節手段(138)を備
えている燃料電池システム。
【請求項１２】請求項２〜１１のいずれか一つに記載
の燃料電池システムであって、熱伝導性の水蒸気透過膜(35)を有し、燃料電池(11)のカ
ソード(15)に供給されるカソード供給空気を加湿及び予
熱するように、水蒸気回収手段(12)において水蒸気を回
収された残留ガスから該水蒸気透過膜(35)を介して熱及
び水蒸気を回収し、該熱及び水蒸気を上記カソード供給
空気に供給する補助回収手段(13)を備えている燃料電池
システム。
【請求項１３】請求項１〜１２のいずれか一つに記載
の燃料電池システムであって、原燃料をメンブレン型水素生成器(10)に搬送する第１搬
送手段(39)と、メンブレン型水素生成器(10)から燃料電池(11)に水素ガ
スを搬送する第２搬送手段(40)と、燃料電池(11)にカソード供給空気を搬送する第３搬送手
段(45)とを備え、前記空気供給手段(42)は、第４搬送手段(43)を備え、上記第１〜第４搬送手段(39,40,45,43)のうち少なくと
も２つは、同一の電動機によって駆動される圧縮機また
は送風機により構成されている燃料電池システム。
【請求項１４】請求項１〜１２のいずれか一つに記載
の燃料電池システムであって、原燃料をメンブレン型水素生成器(10)に搬送する第１搬
送手段(39)と、メンブレン型水素生成器(10)から燃料電池(11)に水素ガ
スを搬送する第２搬送手段(40)と、燃料電池(11)にカソード供給空気を搬送する第３搬送手
段(45)とを備え、上記第２及び第３搬送手段(40,45)は、上記第１搬送手
段(39)の起動に先立って起動するように構成されている
燃料電池システム。
【請求項１５】請求項１〜１４のいずれか一つに記載
の燃料電池システムであって、メンブレン型水素生成器(10)は、内部圧力が大気圧より
も高くなるように設定され、燃料電池(11)は、内部圧力が大気圧になるように設定さ
れ、上記メンブレン型水素生成器(10)と上記燃料電池(11)と
を接続する水素供給路(29a)には、動圧回収用の膨張タ
ービンが設けられている燃料電池システム。
【請求項１６】請求項１〜１４のいずれか一つに記載
の燃料電池システムであって、燃料電池(11)は、内部圧力が大気圧よりも高くなるよう
に設定され、メンブレン型水素生成器(10)において水素を分離されて
残った残留ガスと燃料電池(11)のアノード排出ガスとを
合流させる合流手段(47)と、上記合流手段(47)の下流側に設けられた動力回収用の膨
張タービン(56)とが設けられている燃料電池システム。
【請求項１７】請求項２〜１４のいずれか一つに記載
の燃料電池システムであって、燃料電池(11)は、内部圧力が大気圧よりも高くなるよう
に設定され、水蒸気回収手段(12)の下流側に、燃料電池(11)のカソー
ド排出ガスから水蒸気を回収されて残った残留ガスから
動力を回収する膨張タービン(55)が設けられている燃料
電池システム。