JP2003168455A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システムInfo
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- JP2003168455A JP2003168455A JP2001364368A JP2001364368A JP2003168455A JP 2003168455 A JP2003168455 A JP 2003168455A JP 2001364368 A JP2001364368 A JP 2001364368A JP 2001364368 A JP2001364368 A JP 2001364368A JP 2003168455 A JP2003168455 A JP 2003168455A
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
- B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
- B01B1/005—Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions
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- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 電極触媒の被毒を防止し、スタック効率を高
い値に維持することができる燃料電池システムを提供す
る。 【解決手段】 改質反応器５で改質した改質ガスを水素
精製器１次側６ａに供給し、水素精製器６で分離された
水素リッチガスを２次側６ｃから水素極８に供給する。
水素極出口８ｂから排出される排気ガスを水素精製器１
次側６ａに循環させる第１の排気ガス循環流路２２ａ、
２２ｂと、第１の排気ガス循環流路２２ａ，２２ｂから
分岐して水素精製器６の２次側６ｃへ通じる第２の排気
ガス循環流路２３と、流路２２ｂ（Ａ側）と流路２３
（Ｂ側）とを切り替える切替弁１３とを備え、ＣＯ濃度
センサ９で検出したＣＯ濃度が所定値以上であれば、流
路切替弁１３をＡ側へ、所定値未満であればＢ側へ切り
替える。
い値に維持することができる燃料電池システムを提供す
る。 【解決手段】 改質反応器５で改質した改質ガスを水素
精製器１次側６ａに供給し、水素精製器６で分離された
水素リッチガスを２次側６ｃから水素極８に供給する。
水素極出口８ｂから排出される排気ガスを水素精製器１
次側６ａに循環させる第１の排気ガス循環流路２２ａ、
２２ｂと、第１の排気ガス循環流路２２ａ，２２ｂから
分岐して水素精製器６の２次側６ｃへ通じる第２の排気
ガス循環流路２３と、流路２２ｂ（Ａ側）と流路２３
（Ｂ側）とを切り替える切替弁１３とを備え、ＣＯ濃度
センサ９で検出したＣＯ濃度が所定値以上であれば、流
路切替弁１３をＡ側へ、所定値未満であればＢ側へ切り
替える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料改質方式の燃
料電池システムに係り、特に改質ガスを水素精製器で精
製した高純度の水素ガスを水素極に供給する燃料電池シ
ステムに関する。
料電池システムに係り、特に改質ガスを水素精製器で精
製した高純度の水素ガスを水素極に供給する燃料電池シ
ステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、メタン、プロパン、メタノール、
エタノール、石油のような炭化水素及び酸素原子を含む
炭化水素の水蒸気改質反応を利用した水素の製造方法が
知られており、この改質反応は、例えばメタノールで
は、次に示す式（１）で表される。
エタノール、石油のような炭化水素及び酸素原子を含む
炭化水素の水蒸気改質反応を利用した水素の製造方法が
知られており、この改質反応は、例えばメタノールで
は、次に示す式（１）で表される。
【０００３】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋３Ｈ2 …（１）
特開２００１−２３６７３号公報には、上記（１）式で
表される改質反応により生成した水素を燃料電池に供給
する燃料電池システムが開示されている。
表される改質反応により生成した水素を燃料電池に供給
する燃料電池システムが開示されている。
【０００４】この燃料電池システムにおいては、燃料電
池の水素極で消費されずに排出される水素リッチガスを
再度水素極に循環利用して、燃料電池システムのエネル
ギー効率を向上させていた。
池の水素極で消費されずに排出される水素リッチガスを
再度水素極に循環利用して、燃料電池システムのエネル
ギー効率を向上させていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、２００℃以
下で作動する燃料電池においては、電極の白金などの触
媒が改質ガス中に含まれるＣＯにより被毒されるため、
燃料電池に供給する水素含有ガス中のＣＯ濃度は１％以
下にする必要がある。また、特に１００℃以下で作動す
る固体高分子型燃料電池に供給する水素含有ガス中のＣ
Ｏ濃度は少なくとも数十ｐｐｍ以下、好ましくは数ｐｐ
ｍ以下にする必要がある。
下で作動する燃料電池においては、電極の白金などの触
媒が改質ガス中に含まれるＣＯにより被毒されるため、
燃料電池に供給する水素含有ガス中のＣＯ濃度は１％以
下にする必要がある。また、特に１００℃以下で作動す
る固体高分子型燃料電池に供給する水素含有ガス中のＣ
Ｏ濃度は少なくとも数十ｐｐｍ以下、好ましくは数ｐｐ
ｍ以下にする必要がある。
【０００６】しかしながら、上記従来の燃料電池におい
ては、水素極から出た水素リッチな排ガスが水素極手前
の配管に供給されており、水素極排気後の配管内ＣＯ濃
度が上昇し、スタック効率を低下させるという問題点が
あった。
ては、水素極から出た水素リッチな排ガスが水素極手前
の配管に供給されており、水素極排気後の配管内ＣＯ濃
度が上昇し、スタック効率を低下させるという問題点が
あった。
【０００７】以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、電
極触媒の被毒を防止し、スタック効率を高い値に維持す
ることができる燃料電池システムを提供することにあ
る。
極触媒の被毒を防止し、スタック効率を高い値に維持す
ることができる燃料電池システムを提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１記載の発明は、原燃料から水素を含む改質ガス
を発生させる改質反応器と、１次側に供給された前記改
質ガス中の水素を選択的に分離して２次側から水素リッ
チガスを排出する水素精製器と、該水素精製器で分離さ
れた水素リッチガスを水素極に供給する一方、空気を空
気極に供給して発電する燃料電池本体と、を備えた燃料
電池システムにおいて、前記水素極出口から排出される
排気ガスを前記水素精製器の１次側に循環させる第１の
排気ガス循環流路を設けたことを要旨とする。
請求項１記載の発明は、原燃料から水素を含む改質ガス
を発生させる改質反応器と、１次側に供給された前記改
質ガス中の水素を選択的に分離して２次側から水素リッ
チガスを排出する水素精製器と、該水素精製器で分離さ
れた水素リッチガスを水素極に供給する一方、空気を空
気極に供給して発電する燃料電池本体と、を備えた燃料
電池システムにおいて、前記水素極出口から排出される
排気ガスを前記水素精製器の１次側に循環させる第１の
排気ガス循環流路を設けたことを要旨とする。
【０００９】上記目的を達成するため請求項２記載の発
明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記
第１の排気ガス循環流路から分岐して前記水素精製器の
２次側へ通じる第２の排気ガス循環流路と、前記水素精
製器の１次側に通じる流路と前記水素精製器の２次側に
通じる流路とを切り替える切替弁と、を備えたことを要
旨とする。
明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記
第１の排気ガス循環流路から分岐して前記水素精製器の
２次側へ通じる第２の排気ガス循環流路と、前記水素精
製器の１次側に通じる流路と前記水素精製器の２次側に
通じる流路とを切り替える切替弁と、を備えたことを要
旨とする。
【００１０】上記目的を達成するため請求項３記載の発
明は、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、燃料
電池本体に通じる流路に一酸化炭素濃度を検出する装置
を備え、前記一酸化炭素濃度を検出する装置が検出した
一酸化炭素濃度が所定濃度を超えるときには、前記切替
弁を前記水素精製器の１次側に、所定濃度以下の時には
前記水素精製器の２次側に切替えることを要旨とする。
明は、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、燃料
電池本体に通じる流路に一酸化炭素濃度を検出する装置
を備え、前記一酸化炭素濃度を検出する装置が検出した
一酸化炭素濃度が所定濃度を超えるときには、前記切替
弁を前記水素精製器の１次側に、所定濃度以下の時には
前記水素精製器の２次側に切替えることを要旨とする。
【００１１】上記目的を達成するため請求項４記載の発
明は、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記
一酸化炭素濃度を検出する装置としてＣＯセンサを前記
水素極出口から前記切替弁までの第１の排気ガス循環通
路に備えたことを要旨とする。
明は、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記
一酸化炭素濃度を検出する装置としてＣＯセンサを前記
水素極出口から前記切替弁までの第１の排気ガス循環通
路に備えたことを要旨とする。
【００１２】上記目的を達成するため請求項５記載の発
明は、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記
一酸化炭素濃度を検出する装置としてＣＯセンサを前記
水素極の入口付近に備えたことを要旨とする。
明は、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記
一酸化炭素濃度を検出する装置としてＣＯセンサを前記
水素極の入口付近に備えたことを要旨とする。
【００１３】上記目的を達成するため請求項６記載の発
明は、請求項２ないし請求項５のいずれか１項記載の燃
料電池システムにおいて、前記水素極から排出される排
気ガスの圧力を上げ、前記水素精製器の１次側又は前記
水素精製器の２次側に流入させるための加圧ポンプを前
記水素極の出口から前記切替弁までの間に備えたことを
要旨とする。
明は、請求項２ないし請求項５のいずれか１項記載の燃
料電池システムにおいて、前記水素極から排出される排
気ガスの圧力を上げ、前記水素精製器の１次側又は前記
水素精製器の２次側に流入させるための加圧ポンプを前
記水素極の出口から前記切替弁までの間に備えたことを
要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、原燃料か
ら水素を含む改質ガスを発生させる改質反応器と、１次
側に供給された前記改質ガス中の水素を選択的に分離し
て２次側から水素リッチガスを排出する水素精製器と、
該水素精製器で分離された水素リッチガスを水素極に供
給する一方、空気を空気極に供給して発電する燃料電池
本体と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記水素
極出口から排出される排気ガスを前記水素精製器の１次
側に循環させる第１の排気ガス循環流路を設けたことに
より、燃料電池通過前に比べＣＯ濃度が上昇している水
素極排気後の水素リッチガスを再度水素精製器で精製す
ることができる。このことにより、水素極排気ガス中の
ＣＯ濃度を低下させて再利用することができるようにな
り、触媒の被毒を防止して高いスタック効率を維持する
と共に、燃料電池システムのエネルギー効率を高めるこ
とができるという効果がある。
ら水素を含む改質ガスを発生させる改質反応器と、１次
側に供給された前記改質ガス中の水素を選択的に分離し
て２次側から水素リッチガスを排出する水素精製器と、
該水素精製器で分離された水素リッチガスを水素極に供
給する一方、空気を空気極に供給して発電する燃料電池
本体と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記水素
極出口から排出される排気ガスを前記水素精製器の１次
側に循環させる第１の排気ガス循環流路を設けたことに
より、燃料電池通過前に比べＣＯ濃度が上昇している水
素極排気後の水素リッチガスを再度水素精製器で精製す
ることができる。このことにより、水素極排気ガス中の
ＣＯ濃度を低下させて再利用することができるようにな
り、触媒の被毒を防止して高いスタック効率を維持する
と共に、燃料電池システムのエネルギー効率を高めるこ
とができるという効果がある。
【００１５】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の燃料電池システムにおいて、前記第１の排気ガス循
環流路から分岐して前記水素精製器の２次側へ通じる第
２の排気ガス循環流路と、前記水素精製器の１次側に通
じる流路と前記水素精製器の２次側に通じる流路とを切
り替える切替弁と、を備えたことにより、切替弁を切り
替えることにより、請求項１の流路を使うよりも低い圧
力で水素極排気後の水素リッチガスを配管内に供給でき
る。このような状態では、ポンプにより上昇させる圧力
が請求項１に比べて軽減されるので、システム全体のエ
ネルギー効率を向上することができるという効果があ
る。
載の燃料電池システムにおいて、前記第１の排気ガス循
環流路から分岐して前記水素精製器の２次側へ通じる第
２の排気ガス循環流路と、前記水素精製器の１次側に通
じる流路と前記水素精製器の２次側に通じる流路とを切
り替える切替弁と、を備えたことにより、切替弁を切り
替えることにより、請求項１の流路を使うよりも低い圧
力で水素極排気後の水素リッチガスを配管内に供給でき
る。このような状態では、ポンプにより上昇させる圧力
が請求項１に比べて軽減されるので、システム全体のエ
ネルギー効率を向上することができるという効果があ
る。
【００１６】請求項３記載の発明によれば、請求項２記
載の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体に通じる
流路に一酸化炭素濃度を検出する装置を備え、前記一酸
化炭素濃度を検出する装置が検出した一酸化炭素濃度が
所定濃度を超えるときには、前記切替弁を前記水素精製
器の１次側に、所定濃度以下の時には前記水素精製器の
２次側に切替えるようにしたので、燃料電池の水素極に
供給される水素リッチガスのＣＯ濃度を一定以下に保つ
と同時に、水素極から排気される水素リッチガスを再利
用できるので、燃料電池本体の触媒をＣＯ被毒にさらす
ことなく、燃料電池システムのエネルギー効率を向上す
ることができるという効果がある。
載の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体に通じる
流路に一酸化炭素濃度を検出する装置を備え、前記一酸
化炭素濃度を検出する装置が検出した一酸化炭素濃度が
所定濃度を超えるときには、前記切替弁を前記水素精製
器の１次側に、所定濃度以下の時には前記水素精製器の
２次側に切替えるようにしたので、燃料電池の水素極に
供給される水素リッチガスのＣＯ濃度を一定以下に保つ
と同時に、水素極から排気される水素リッチガスを再利
用できるので、燃料電池本体の触媒をＣＯ被毒にさらす
ことなく、燃料電池システムのエネルギー効率を向上す
ることができるという効果がある。
【００１７】請求項４記載の発明によれば、請求項３記
載の燃料電池システムにおいて、前記一酸化炭素濃度を
検出する装置としてＣＯセンサを前記水素極出口から前
記切替弁までの第１の排気ガス循環通路に備えたことに
より、水素極排気ガスのＣＯ濃度が水素極通過前と比較
して高いことを考えると、より感度の低い、安価なＣＯ
センサを使用でき、コスト削減を図ることができるとい
う効果がある。
載の燃料電池システムにおいて、前記一酸化炭素濃度を
検出する装置としてＣＯセンサを前記水素極出口から前
記切替弁までの第１の排気ガス循環通路に備えたことに
より、水素極排気ガスのＣＯ濃度が水素極通過前と比較
して高いことを考えると、より感度の低い、安価なＣＯ
センサを使用でき、コスト削減を図ることができるとい
う効果がある。
【００１８】請求項５記載の発明によれば、請求項３記
載の燃料電池システムにおいて、前記一酸化炭素濃度を
検出する装置としてＣＯセンサを前記水素極の入口付近
に備えたことにより、直接燃料電池の水素極入口のＣＯ
濃度を測定できる。このことにより、ＣＯ濃度変化に応
じた細かい切替え制御を行うことができ、システム全体
の効率向上を図ることができるという効果がある。
載の燃料電池システムにおいて、前記一酸化炭素濃度を
検出する装置としてＣＯセンサを前記水素極の入口付近
に備えたことにより、直接燃料電池の水素極入口のＣＯ
濃度を測定できる。このことにより、ＣＯ濃度変化に応
じた細かい切替え制御を行うことができ、システム全体
の効率向上を図ることができるという効果がある。
【００１９】請求項６記載の発明によれば、請求項２な
いし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池システムに
おいて、前記水素極から排出される排気ガスの圧力を上
げ、前記水素精製器の１次側又は前記水素精製器の２次
側に流入させるための加圧ポンプを前記水素極の出口か
ら前記切替弁までの間に備えたことにより、水素極から
排気後の水素リッチガスの圧力を上げることが可能とな
り、その水素リッチガスを水素精製器１次側又は水素精
製器の２次側に逆流することなく流入させられるという
効果がある。
いし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池システムに
おいて、前記水素極から排出される排気ガスの圧力を上
げ、前記水素精製器の１次側又は前記水素精製器の２次
側に流入させるための加圧ポンプを前記水素極の出口か
ら前記切替弁までの間に備えたことにより、水素極から
排気後の水素リッチガスの圧力を上げることが可能とな
り、その水素リッチガスを水素精製器１次側又は水素精
製器の２次側に逆流することなく流入させられるという
効果がある。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電
池システム１の実施形態の構成を示すシステム構成図で
ある。ＣＯセンサの位置によって請求項４、５が分けら
れているが、本質的な働きは同じである。ここでは、Ｃ
Ｏセンサが燃料電池水素極出口側についている例をもと
に説明する。
参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電
池システム１の実施形態の構成を示すシステム構成図で
ある。ＣＯセンサの位置によって請求項４、５が分けら
れているが、本質的な働きは同じである。ここでは、Ｃ
Ｏセンサが燃料電池水素極出口側についている例をもと
に説明する。
【００２１】図１において、燃料電池システム１が利用
するガソリン、メタノールなどの原燃料は、燃料タンク
２に貯留されている。燃料ポンプ３は、燃料タンク２か
ら原燃料をくみ上げて蒸発器４へ送る。蒸発器４は、後
述する燃焼器２０の燃焼ガスにより加熱され、この熱に
より原燃料を蒸発させる。気化した原燃料は改質器５へ
送られ、改質器５でスチームリフォーミング反応により
水素（Ｈ2 ）を多く含む改質ガスを生成する。改質ガス
は、水素精製器６の１次側入口６ａへ送られ、改質ガス
中の水素は、水素精製器６を選択的に透過し、一酸化炭
素濃度が数十ｐｐｍ以下に低下した後、水素精製器６の
２次側出口６ｃから燃料電池本体７の水素極８の入口８
ａへ送られる。水素精製器６で改質ガスから分離された
窒素、一酸化炭素、二酸化炭素等は、水素精製器６の１
次側出口６ｂから燃焼器２０へ送られる。
するガソリン、メタノールなどの原燃料は、燃料タンク
２に貯留されている。燃料ポンプ３は、燃料タンク２か
ら原燃料をくみ上げて蒸発器４へ送る。蒸発器４は、後
述する燃焼器２０の燃焼ガスにより加熱され、この熱に
より原燃料を蒸発させる。気化した原燃料は改質器５へ
送られ、改質器５でスチームリフォーミング反応により
水素（Ｈ2 ）を多く含む改質ガスを生成する。改質ガス
は、水素精製器６の１次側入口６ａへ送られ、改質ガス
中の水素は、水素精製器６を選択的に透過し、一酸化炭
素濃度が数十ｐｐｍ以下に低下した後、水素精製器６の
２次側出口６ｃから燃料電池本体７の水素極８の入口８
ａへ送られる。水素精製器６で改質ガスから分離された
窒素、一酸化炭素、二酸化炭素等は、水素精製器６の１
次側出口６ｂから燃焼器２０へ送られる。
【００２２】水素精製器６は、例えば水素分離膜によっ
て改質ガス中の水素のみを透過させるものや、圧力スイ
ング吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐ
ｔｉｏｎ）方式により、改質ガスを加圧して吸着剤に水
素を吸着させ、減圧して吸着した水素を脱離させるもの
である。水素の吸着剤としては、ゼオライトやモレキュ
ラーシービングカーボン（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｉｅ
ｖｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ）等があり、水素用に分子篩の
孔径が調製された物である。
て改質ガス中の水素のみを透過させるものや、圧力スイ
ング吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐ
ｔｉｏｎ）方式により、改質ガスを加圧して吸着剤に水
素を吸着させ、減圧して吸着した水素を脱離させるもの
である。水素の吸着剤としては、ゼオライトやモレキュ
ラーシービングカーボン（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｉｅ
ｖｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ）等があり、水素用に分子篩の
孔径が調製された物である。
【００２３】一方、コンプレッサ１７で圧縮された空気
が燃料電池本体７の空気極１８の入口１８ａに供給さ
れ、水素極８に供給された水素と空気極１８に供給され
た空気中の酸素とが電気化学反応を起こして発電する。
水素極８の出口８ｂと水素精製器６の一次側６ａとは、
第１の排気ガス循環路２２ａ及び２２ｂにより接続され
ている。これにより、水素極８の出口８ｂから排出され
る未反応水素を含む排気ガスは、水素精製器６へ再循環
することができるようになっている。
が燃料電池本体７の空気極１８の入口１８ａに供給さ
れ、水素極８に供給された水素と空気極１８に供給され
た空気中の酸素とが電気化学反応を起こして発電する。
水素極８の出口８ｂと水素精製器６の一次側６ａとは、
第１の排気ガス循環路２２ａ及び２２ｂにより接続され
ている。これにより、水素極８の出口８ｂから排出され
る未反応水素を含む排気ガスは、水素精製器６へ再循環
することができるようになっている。
【００２４】また第１の排気ガス循環流路２２ａと２２
ｂの接続点には、流路切替弁１３が配設されている。流
路切替弁１３から第２の排気ガス循環流路２３が分岐し
て、排気ガスを水素精製器６の２次側６ｃ、即ち水素極
８の入口８ａへ導くことができるようになっている。
ｂの接続点には、流路切替弁１３が配設されている。流
路切替弁１３から第２の排気ガス循環流路２３が分岐し
て、排気ガスを水素精製器６の２次側６ｃ、即ち水素極
８の入口８ａへ導くことができるようになっている。
【００２５】第１の排気ガス循環流路２２ａ上には、水
素極出口８ｂから流路切替弁１３へ向かって順次、一酸
化炭素濃度を検出するＣＯセンサ９，水素極８の圧力を
調整する水素調圧弁１０，水素極８から排出された水素
リッチな排気ガスの逆流を防ぐ循環ポンプ１１、圧力セ
ンサ１２が設けられている。また、第１の排気ガス循環
流路２２ｂには圧力センサ１５が設けられ、第２の排気
ガス循環流路２３には圧力センサ１４が設けられてい
る。
素極出口８ｂから流路切替弁１３へ向かって順次、一酸
化炭素濃度を検出するＣＯセンサ９，水素極８の圧力を
調整する水素調圧弁１０，水素極８から排出された水素
リッチな排気ガスの逆流を防ぐ循環ポンプ１１、圧力セ
ンサ１２が設けられている。また、第１の排気ガス循環
流路２２ｂには圧力センサ１５が設けられ、第２の排気
ガス循環流路２３には圧力センサ１４が設けられてい
る。
【００２６】空気極出口１８ｂには、空気圧力を調整す
る空気圧調整弁１９が配設され、空気圧調整弁１９から
排出された空気は、燃焼器２０へ導入される。
る空気圧調整弁１９が配設され、空気圧調整弁１９から
排出された空気は、燃焼器２０へ導入される。
【００２７】燃焼器２０は、水素精製器６の一次側出口
６ｂから排出される一酸化炭素を含んだガスと、空気極
から排出される水蒸気を含んだ空気とを燃焼させて、水
蒸気を含んだ高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガス
は、水蒸気分離器２１の一次側入口２１ａから導入さ
れ、燃焼ガス中の水蒸気が分離される。分離された高温
の水蒸気が二次側出口２１ｃから改質器５へ、残った燃
焼ガスが一次側出口２１ｂから蒸発器４へ供給される。
６ｂから排出される一酸化炭素を含んだガスと、空気極
から排出される水蒸気を含んだ空気とを燃焼させて、水
蒸気を含んだ高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガス
は、水蒸気分離器２１の一次側入口２１ａから導入さ
れ、燃焼ガス中の水蒸気が分離される。分離された高温
の水蒸気が二次側出口２１ｃから改質器５へ、残った燃
焼ガスが一次側出口２１ｂから蒸発器４へ供給される。
【００２８】水蒸気分離器２１は、例えば、シリカゲ
ル、アルミナ、ゼオライト、活性炭等を吸着剤に利用し
たＰＳＡを用いる。そして圧力を加えて水蒸気を吸着
し、圧力を下げて水蒸気を脱離させることは、水素分離
膜と同様である。
ル、アルミナ、ゼオライト、活性炭等を吸着剤に利用し
たＰＳＡを用いる。そして圧力を加えて水蒸気を吸着
し、圧力を下げて水蒸気を脱離させることは、水素分離
膜と同様である。
【００２９】流路切替弁１３は、水素極出口８ｂから排
出される未反応の水素を含む排気ガスを水素精製器６の
１次側（図中Ａ側）と、同２次側（図中Ｂ側）に切り替
えて供給できるようになっている。以上のような構成要
素により、本燃料電池システム１は構成されている。
出される未反応の水素を含む排気ガスを水素精製器６の
１次側（図中Ａ側）と、同２次側（図中Ｂ側）に切り替
えて供給できるようになっている。以上のような構成要
素により、本燃料電池システム１は構成されている。
【００３０】次に、本実施形態の燃料電池システム１の
動作を説明する。燃料電池システム１の運転時におい
て、水素極８の出口側８ｂに配置されたＣＯ濃度センサ
９によりセンシングされるＣＯ濃度が所定の値を超えて
いる場合には、流路切替弁１３をＡ側へ切り替える。水
素の大半を燃料電池本体７で消費した水素極８からの排
気ガスは、循環ポンプ１１で加圧されたのち水素精製器
６の１次側６ａに供給され、再度水素精製器６により精
製される。この際に水素調圧弁１０は、水素極８で十分
な酸化反応が起きるように適度に流量を制御する。
動作を説明する。燃料電池システム１の運転時におい
て、水素極８の出口側８ｂに配置されたＣＯ濃度センサ
９によりセンシングされるＣＯ濃度が所定の値を超えて
いる場合には、流路切替弁１３をＡ側へ切り替える。水
素の大半を燃料電池本体７で消費した水素極８からの排
気ガスは、循環ポンプ１１で加圧されたのち水素精製器
６の１次側６ａに供給され、再度水素精製器６により精
製される。この際に水素調圧弁１０は、水素極８で十分
な酸化反応が起きるように適度に流量を制御する。
【００３１】次にＣＯ濃度センサ９によりセンシングし
たガス中のＣＯ濃度が所定濃度以下の場合には、流路切
替弁１３をＢに設定する。このことにより、循環ポンプ
１１で加圧された水素極８の排気ガスが水素精製器６の
２次側６ｃに供給される。水素精製器６の１次側６ａに
供給される場合と比較して循環ポンプ１１で上昇させる
圧力が小さくなり、システム全体のエネルギー効率を向
上させることができる。
たガス中のＣＯ濃度が所定濃度以下の場合には、流路切
替弁１３をＢに設定する。このことにより、循環ポンプ
１１で加圧された水素極８の排気ガスが水素精製器６の
２次側６ｃに供給される。水素精製器６の１次側６ａに
供給される場合と比較して循環ポンプ１１で上昇させる
圧力が小さくなり、システム全体のエネルギー効率を向
上させることができる。
【００３２】以上のような制御方法を適用することで、
燃料電池本体７で消費されなかった水素を燃焼器２０で
燃焼させずに、再度燃料電池本体７で利用できる。また
その際、水素極８に供給される水素ガス中のＣＯ濃度を
一定以下に保持することができるので、燃料電池触媒の
被毒を防ぐことができる。
燃料電池本体７で消費されなかった水素を燃焼器２０で
燃焼させずに、再度燃料電池本体７で利用できる。また
その際、水素極８に供給される水素ガス中のＣＯ濃度を
一定以下に保持することができるので、燃料電池触媒の
被毒を防ぐことができる。
【００３３】次に、図２の制御フローチャートを参照し
て、運転条件に応じた制御について説明する。まずステ
ップＳ１０において、ＣＯ濃度センサ９により水素極８
の排気中のＣＯ濃度を測定する。次いでステップＳ１２
にて、検出したＣＯ濃度Ｃcoと所定濃度Ｃco＃との比較
判定を行い、その結果に応じて次のように制御する。
て、運転条件に応じた制御について説明する。まずステ
ップＳ１０において、ＣＯ濃度センサ９により水素極８
の排気中のＣＯ濃度を測定する。次いでステップＳ１２
にて、検出したＣＯ濃度Ｃcoと所定濃度Ｃco＃との比較
判定を行い、その結果に応じて次のように制御する。
【００３４】ここで、所定濃度Ｃco＃としては、所定濃
度Ｃco＃の水素ガスを燃料電池入口に戻して、水素精製
器６から供給される水素ガスと合流させたときの水素合
流ガス中のＣＯ濃度が燃料電池を被毒させない濃度とな
るように設定することが望ましい。あるいは、燃料電池
入口のＣＯ濃度は、燃料電池出口に設けたＣＯ濃度セン
サ９により測定されるＣＯ濃度よりも必ず低くなるの
で、所定濃度Ｃco＃を燃料電池を被毒させない濃度（例
えば数十ｐｐｍ以下）として設定しておけば、燃料電池
の被毒を確実に防止できる。
度Ｃco＃の水素ガスを燃料電池入口に戻して、水素精製
器６から供給される水素ガスと合流させたときの水素合
流ガス中のＣＯ濃度が燃料電池を被毒させない濃度とな
るように設定することが望ましい。あるいは、燃料電池
入口のＣＯ濃度は、燃料電池出口に設けたＣＯ濃度セン
サ９により測定されるＣＯ濃度よりも必ず低くなるの
で、所定濃度Ｃco＃を燃料電池を被毒させない濃度（例
えば数十ｐｐｍ以下）として設定しておけば、燃料電池
の被毒を確実に防止できる。
【００３５】検出したＣＯ濃度Ｃcoが所定値＃Ｃco以上
（Ｃco≧＃Ｃco）の時は、ステップＳ１４で圧力センサ
１２、圧力センサ１５により圧力Ｐ1 、Ｐ2 を測定し、
ステップＳ１６で測定した圧力Ｐ1 、Ｐ2 を比較する。
比較結果がＰ1 ≦Ｐ2 であれば、ステップＳ１８で循環
ポンプ１１により循環する水素極排気の圧力を高めるよ
うに圧力制御し、再度圧力を測定するためにステップＳ
１４へ分岐する。
（Ｃco≧＃Ｃco）の時は、ステップＳ１４で圧力センサ
１２、圧力センサ１５により圧力Ｐ1 、Ｐ2 を測定し、
ステップＳ１６で測定した圧力Ｐ1 、Ｐ2 を比較する。
比較結果がＰ1 ≦Ｐ2 であれば、ステップＳ１８で循環
ポンプ１１により循環する水素極排気の圧力を高めるよ
うに圧力制御し、再度圧力を測定するためにステップＳ
１４へ分岐する。
【００３６】ステップＳ１６の判定で、圧力がＰ1 ＞Ｐ
2 となった時に、ステップＳ２０で流路切替弁１３をＡ
側に切替える。これにより、ＣＯ濃度が高まった水素極
８からの排気ガスを水素精製器６の１次側６ａに供給
し、水素精製器６でＣＯ濃度を低下させてから再度水素
極８へ供給することができる。
2 となった時に、ステップＳ２０で流路切替弁１３をＡ
側に切替える。これにより、ＣＯ濃度が高まった水素極
８からの排気ガスを水素精製器６の１次側６ａに供給
し、水素精製器６でＣＯ濃度を低下させてから再度水素
極８へ供給することができる。
【００３７】ステップＳ１２の判定で、検出したＣＯ濃
度Ｃcoが所定値Ｃco＃未満（Ｃco＜Ｃco＃）の際には、
同様にステップＳ２２で圧力センサ１２、圧力センサ１
４により圧力を測定し、ステップＳ２４で測定した圧力
Ｐ1 、Ｐ３ を比較する。比較結果がＰ1 ≦Ｐ３ であれ
ば、ステップＳ２８で循環ポンプ１１により循環する水
素極排気の圧力を高めるように圧力制御し、再度圧力を
測定するためにステップＳ２２へ分岐する。
度Ｃcoが所定値Ｃco＃未満（Ｃco＜Ｃco＃）の際には、
同様にステップＳ２２で圧力センサ１２、圧力センサ１
４により圧力を測定し、ステップＳ２４で測定した圧力
Ｐ1 、Ｐ３ を比較する。比較結果がＰ1 ≦Ｐ３ であれ
ば、ステップＳ２８で循環ポンプ１１により循環する水
素極排気の圧力を高めるように圧力制御し、再度圧力を
測定するためにステップＳ２２へ分岐する。
【００３８】ステップＳ２４の判定で、圧力がＰ1 ＞Ｐ
３ となった時に、ステップＳ２６で流路切替弁１３を
Ｂ側に切替える。これにより、水素極排気中のＣＯ濃度
が低い場合、水素極８で用いられなかった水素リッチガ
スは、流体抵抗の大きい水素精製器６を通すことなく、
直接水素極８の上流に供給されるので、循環ポンプ１１
の駆動力は少なくて済み、燃料電池システム全体として
のエネルギー効率を高めることができる。
３ となった時に、ステップＳ２６で流路切替弁１３を
Ｂ側に切替える。これにより、水素極排気中のＣＯ濃度
が低い場合、水素極８で用いられなかった水素リッチガ
スは、流体抵抗の大きい水素精製器６を通すことなく、
直接水素極８の上流に供給されるので、循環ポンプ１１
の駆動力は少なくて済み、燃料電池システム全体として
のエネルギー効率を高めることができる。
【００３９】なお、ＣＯ濃度センサを図１の符号３０に
示すように燃料電池本体の入口に設けてもよい。この場
合に設定される所定濃度Ｃco＃としては、燃料電池を被
毒させない濃度に設定することが望ましい。
示すように燃料電池本体の入口に設けてもよい。この場
合に設定される所定濃度Ｃco＃としては、燃料電池を被
毒させない濃度に設定することが望ましい。
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態の構
成を説明するシステム構成図である。
成を説明するシステム構成図である。
【図２】実施形態の動作を説明する制御フローチャート
である。
である。
１…燃料電池システム
２…燃料タンク
３…燃料ポンプ
４…蒸発器
５…改質器
６…水素精製器
７…燃料電池本体
８…水素極
９…ＣＯ濃度センサ
１０…水素調圧弁
１１…循環ポンプ
１２…圧力センサ（Ｐ１）
１３…流路切替弁
１４…圧力センサ（Ｐ３）
１５…圧力センサ（Ｐ２）
１７…コンプレッサ
１８…空気極
１９…空気調圧弁
２０…燃焼器
２１…水蒸気分離器
２２ａ，２２ｂ…第１の排気ガス循環流路
２３…第２の排気ガス循環流路
３０…ＣＯ濃度センサ
Claims (6)
- 【請求項１】 原燃料から水素を含む改質ガスを発生さ
せる改質反応器と、１次側に供給された前記改質ガス中
の水素を選択的に分離して２次側から水素リッチガスを
排出する水素精製器と、該水素精製器で分離された水素
リッチガスを水素極に供給する一方、空気を空気極に供
給して発電する燃料電池本体と、を備えた燃料電池シス
テムにおいて、 前記水素極出口から排出される排気ガスを前記水素精製
器の１次側に循環させる第１の排気ガス循環流路を設け
たことを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項２】 前記第１の排気ガス循環流路から分岐し
て前記水素精製器の２次側へ通じる第２の排気ガス循環
流路と、 前記水素精製器の１次側に通じる流路と前記水素精製器
の２次側に通じる流路とを切り替える切替弁と、 を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シス
テム。 - 【請求項３】 燃料電池本体に通じる流路に一酸化炭素
濃度を検出する装置を備え、前記一酸化炭素濃度を検出
する装置が検出した一酸化炭素濃度が所定濃度を超える
ときには、前記切替弁を前記水素精製器の１次側に、所
定濃度以下の時には前記水素精製器の２次側に切替える
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。 - 【請求項４】 前記一酸化炭素濃度を検出する装置とし
てＣＯセンサを前記水素極出口から前記切替弁までの第
１の排気ガス循環通路に備えたことを特徴とする請求項
３記載の燃料電池システム。 - 【請求項５】 前記一酸化炭素濃度を検出する装置とし
てＣＯセンサを前記水素極の入口付近に備えたことを特
徴とする請求項３記載の燃料電池システム。 - 【請求項６】 前記水素極から排出される排気ガスの圧
力を上げ、前記水素精製器の１次側又は前記水素精製器
の２次側に流入させるための加圧ポンプを前記水素極の
出口から前記切替弁までの間に備えたことを特徴とする
請求項２ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池
システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001364368A JP2003168455A (ja) | 2001-11-29 | 2001-11-29 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001364368A JP2003168455A (ja) | 2001-11-29 | 2001-11-29 | 燃料電池システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003168455A true JP2003168455A (ja) | 2003-06-13 |
Family
ID=19174570
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001364368A Pending JP2003168455A (ja) | 2001-11-29 | 2001-11-29 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003168455A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007048493A (ja) * | 2005-08-08 | 2007-02-22 | Hitachi Ltd | 燃料電池発電システム |
| JP2008091226A (ja) * | 2006-10-03 | 2008-04-17 | Hitachi Zosen Corp | 炭化水素の自己熱改質による燃料電池発電用水素の製造方法 |
| JP2008257891A (ja) * | 2007-03-30 | 2008-10-23 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
-
2001
- 2001-11-29 JP JP2001364368A patent/JP2003168455A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007048493A (ja) * | 2005-08-08 | 2007-02-22 | Hitachi Ltd | 燃料電池発電システム |
| JP2008091226A (ja) * | 2006-10-03 | 2008-04-17 | Hitachi Zosen Corp | 炭化水素の自己熱改質による燃料電池発電用水素の製造方法 |
| JP2008257891A (ja) * | 2007-03-30 | 2008-10-23 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
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